JP3723524B2

JP3723524B2 - Manufacturing method of semiconductor device

Info

Publication number: JP3723524B2
Application number: JP2002126339A
Authority: JP
Inventors: 和美渡瀬; 望下石坂; 憲幸戒能; 嘉文中村; 啓司三木; 隆一佐原; 正人萩野; 安武矢口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003324119A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に外部端子として金属バンプを備える半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信機器や事務用電子機器の小型化及び高機能化が進むのに伴って、これらの電子機器に実装される集積回路装置等の半導体装置に対して、半導体装置を小型化しながら入出力のための外部端子数を増加できるように、外部端子を高密度に形成することが要求されている。
【０００３】
このような要求を実現する技術として、半導体装置を半導体チップと同等の大きさに形成できるように外部端子を配置するＣＳＰ(Chip Scale Package)技術の開発が進んでいる。
【０００４】
以下に、従来例として、半導体チップの電極を外部と接続するための配線及び外部端子を、ウエハ状態の半導体チップに形成するウエハレベルＣＳＰ技術について、図面を参照しながら説明する。
【０００５】
図４（ａ）は従来例に係る半導体装置の断面構成を示している。図４（ａ）に示すように、半導体素子を含む半導体チップ１０１の主面上には、半導体素子の電極である素子電極１０２と、素子電極１０２の上に開口部を有する保護膜（パッシベーション膜）１０３とが形成されている。また、保護膜１０３の上には、素子電極１０２の上側部分が開口された絶縁膜１０４を介して、下部金属膜１０５及び上部金属膜１０６が積層されてなる金属配線１０７が形成されている。
【０００６】
ここで、金属配線１０７には、外部と接続するための接続部となるランド部１０７ａ及び素子電極１０２とランド部１０７ａとを接続する配線本体部１０７ｂが形成されおり、配線本体部１０７ｂを含む絶縁膜１０４の上には、ランド部１０７ａの上に開口部１０８ａを有するソルダーレジスト膜１０８が形成されている。ランド部１０７ａは、ソルダーレジスト膜１０８の開口部１０８ａを充填するように形成された金属バンプ１０９と接続されている。
【０００７】
ここで、金属バンプ１０９は、ソルダーレジスト膜１０８の開口部１０８ａと対応する位置に孔部を有する金属マスクを用いて、印刷法により形成されている。具体的には、ソルダーレジスト膜１０８を形成した後に、まず、金属マスクをその孔部がソルダーレジスト膜１０８の開口部１０８ａの上側に位置するように保持し、ペースト状の半田材（クリーム半田）を金属マスクの孔部とソルダーレジスト膜１０８の開口部１０８ａとに充填する。続いて、半田材を加熱して溶融することにより、ソルダーレジスト膜１０８よりも上側に突出部分を有する金属バンプ１０９がランド部１０７ａの上に形成される。
【０００８】
従来の半導体装置において、素子電極１０２を外部に接続するための金属配線１０７及び金属バンプ１０９を半導体チップ１０１の主面の上に配置することにより、高密度で設けられた外部端子をウエハ状態で形成することが可能である。特に、印刷法を用いることにより、金属バンプ１０９を低コストで且つ生産性よく形成することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の半導体装置によると、金属バンプ１０９におけるソルダーレジスト膜１０８の上面からの高さＨ１を大きくすることができない。
【００１０】
これは、以下の理由による。すなわち、印刷法によって金属バンプ１０９を形成する場合に、金属バンプ１０９の高さＨ１は、主に金属マスクの孔部に充填される半田材の量に依存する。しかし、外部端子を高密度に形成しようとする場合、金属マスクの孔部を高密度に配列する必要があるため孔部の大きさには限界があり、また、金属マスクを厚くすると孔部の加工精度が劣化する。従って、金属マスクの孔部の容積には限界がある。
【００１１】
このように、従来の半導体装置では、半田材を充填するために用いる金属マスクの孔部の容積に限界があるため、金属マスクの孔部とソルダーレジスト膜１０８の開口部１０８ａとに半田材を最大限に充填しても、金属バンプ１０９の高さＨ１は７０〜９０μｍ程度であり、これ以上に大きくすることは困難である。
【００１２】
また、印刷法により金属バンプ１０９を形成する場合に限らず、例えば半田ボール等の金属材料をソルダーレジスト膜１０８の開口部１０８ａに載置して溶融する方法を用いる場合であっても、ソルダーレジスト膜１０８の上面よりも上側に保持される金属材料の量は、金属材料の溶融時の表面張力によって限界があり、従って金属バンプ１０９の高さＨ１には限界がある。
【００１３】
以下に、金属バンプ１０９の高さＨ１が小さいことによって生じる問題について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図４（ｂ）は、従来例に係る半導体装置の実装時の断面構成を示している。図４（ｂ）に示すように、従来例の半導体装置は、電子機器等の実装用の基板１００の上に、金属バンプ１０９を溶融して固着することにより実装される。
【００１５】
実装後の半導体装置において、半導体チップ１０１と基板１００との物理的性質の違いによって金属バンプ１０９にストレスが発生する。特に、半導体チップ１０１と基板１００との熱膨張係数の差が大きいため、使用時の温度変化によって半導体チップ１０１と基板１００とがそれぞれ伸縮すると、半導体チップ１０１の端部に位置する金属バンプ１０９にストレスが集中する。
【００１６】
この際、基板１００と半導体装置との間隔であるスタンドオフＨ２が十分に大きい場合には、生じたストレスは金属バンプ１０９に吸収されるが、スタンドオフＨ２が十分に確保されていない場合には、ストレスによって金属バンプ１０９にクラック１０９ａが生じて接続不良となる。
【００１７】
このように、従来の半導体装置では、金属バンプ１０９の高さＨ１を大きくすることができないため、実装時のスタンドオフＨ２を十分に確保できず、金属バンプ１０９にクラック１０９ａが生じ易くなるので、半導体装置の実装信頼性を十分に確保できないという問題を有している。
【００１８】
本発明は、前記従来の問題を解決し、金属バンプを外部端子として用いる半導体装置において、金属バンプの突出部分に十分な高さを確保して実装信頼性を向上できるようにすることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、外部端子となる金属バンプの形成後に、ソルダーレジスト膜の膜厚を小さくする構成とする。
【００２０】
具体的に、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、主面上に電極を有するウエハ状態の半導体チップの上に、電極の上側部分が開口された第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、第１の絶縁膜の上に、一方の端部が前記電極と接続され、他方の端部が接続部となる配線とを形成する第２の工程と、配線を含む第１の絶縁膜の上に、接続部の上に開口部を有する絶縁性樹脂材からなる第２の絶縁膜を形成する第３の工程と、第２の絶縁膜をマスクとして接続部の上に導電性部材からなる外部端子を形成する第４の工程と、第２の絶縁膜の膜厚を小さくすることにより、外部端子における第２の絶縁膜からの突出部分の高さを大きくする第５の工程とを備えている。
【００２１】
第１の半導体装置の製造方法によると、外部端子を形成する工程の後に、第２の絶縁膜の膜厚を小さくする工程を備えているため、外部端子の突出部分の高さ寸法を大きくすることが可能となる。これにより、半導体装置と実装用の基板とのスタンドオフを大きくすることができ、実装後の信頼性が向上された半導体装置を実現できる。また、ウエハ状態の半導体チップを用いて半導体装置を形成するため、複数の半導体装置を生産性よく形成することができる。
【００２２】
第１の半導体装置の製造方法は、第５の工程よりも後に、ウエハ状態の半導体チップをチップ状態に分割する工程をさらに備えていることが好ましい。
【００２３】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、主面上に電極を有する半導体チップの上に、電極の上側部分が開口された第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、第１の絶縁膜の上に、一方の端部が前記電極と接続され、他方の端部が接続部となる配線とを形成する第２の工程と、配線を含む第１の絶縁膜の上に、接続部の上に開口部を有する絶縁性樹脂材からなる第２の絶縁膜を形成する第３の工程と、第２の絶縁膜をマスクとして接続部の上に導電性部材からなる外部端子を形成する第４の工程と、第２の絶縁膜の膜厚を小さくすることにより、外部端子における第２の絶縁膜からの突出部分の高さを大きくする第５の工程とを備えている。
【００２４】
第２の半導体装置の製造方法によると、外部端子を形成する工程の後に、第２の絶縁膜の膜厚を小さくする工程を備えているため、外部端子の突出部分の高さ寸法を大きくすることができ、実装信頼性が向上された半導体装置を実現できる。また、不良の半導体チップを取り除いた後に半導体装置を形成して製造コストを低下させることも可能である。
【００２５】
第１及び第２の半導体装置の製造方法において、第５の工程は、第２の絶縁膜に対するドライエッチングにより行われることが好ましい。このようにすると、第２の絶縁膜を選択的にエッチングすることができ、外部端子の突出部分の高さ寸法を確実に大きくすることができる。
【００２６】
第１及び第２の半導体装置の製造方法において、第４工程は、第２の絶縁膜の開口部の上側を開口するマスク膜を用いて接続部の上にペースト状の半田材を塗布する工程と、マスク膜を除去した後、半田材を溶融する工程とを含むことが好ましい。このようにすると、高密度な外部端子を低コストに形成することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１（ａ）は本実施形態に係る半導体装置の平面構成を、表面の部材（金属バンプ及びソルダーレジスト膜）の一部をはがした状態にして示しており、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるIb−Ib線部の断面構成を示している。
【００２９】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、半導体チップ１１の主面上に、半導体素子の電極である複数の素子電極１２が半導体チップ１１の周縁部に形成されていると共に、半導体素子を保護する保護膜１３が素子電極１２を開口するように形成されている。保護膜１３の上には、素子電極１２の上側部分が開口され、感光性絶縁材料からなる絶縁膜１４が形成されており、素子電極１２の上を含む絶縁膜１４の上には、チタン及び銅からなる下部金属膜１５と銅からなる上部金属膜１６とが積層されてなる金属配線１７が形成されている。ここで、金属配線１７は、外部端子との接続部となるランド部１７ａと配線本体部１７ｂとを有しており、配線本体部１７ｂは素子電極１２とランド部１７ａとを接続している。
【００３０】
金属配線１７の上を含む絶縁膜１４の上には、ランド部１７ａの上側部分に開口部１８ａを有するポリベンゾオキサゾールポリイミド（ＰＢＯ）樹脂からなるソルダーレジスト膜１８が形成されている。なお、ソルダーレジスト膜１８は、金属配線１７上の厚さが約１０μｍであり、その表面はエッチングされて粗面状となっている。
【００３１】
ソルダーレジスト膜の開口部１８ａには、ランド部１７ａと接続され、半田材からなる金属バンプ１９が形成されている。これにより、素子電極１２が金属配線１７を介して金属バンプ１９と接続されるので、金属バンプ１９は外部端子として機能する。
【００３２】
金属バンプ１９は、隣接する金属バンプ１０９同士の中心間の距離（ピッチ）が約４００μｍとなるように高密度に形成されている。また、金属バンプ１９におけるソルダーレジスト膜１８の上面からの高さ（突出部分の高さ）は約１００μｍであり、従来よりも高く形成されている。
【００３３】
本実施形態の半導体装置の特徴として、金属バンプ１９の突出部分が従来よりも高く形成されているため、実装用の基板と接続される際のスタンドオフを従来よりも大きくすることができ、半導体装置の実装信頼性が向上されている。
【００３４】
以下に、前述のように構成された本実施形態の半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、図１（ａ）及び図１（ｂ）と同一の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００３５】
図２（ａ）〜図２（ｄ）及び図３（ａ）〜図３（ｃ）は本実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。なお、図２（ａ）〜図２（ｄ）及び図３（ａ）〜図３（ｃ）は、ウエハ状態に形成された複数の半導体チップのうちの１つのチップ領域のみを図示している。
【００３６】
まず、図２（ａ）に示すように、ウエハ状態の半導体チップ１１の主面上に素子電極１２と保護膜１３とを形成する。その後、スピンコート法により、素子電極１２の上を含む保護膜１３上の全面に感光性絶縁材料を塗布した後、露光と現像と順次を行うことにより感光性絶縁材料をパターニングして素子電極１２の上側部分が開口された絶縁膜１４を形成する。
【００３７】
なお、絶縁膜１４を構成する感光性絶縁材料として、例えばエステル結合型ポリイミド樹脂又はアクリル系エポキシ樹脂等を用いることができる。また、絶縁膜１４を形成する方法は、スピンコート法によって感光性絶縁材料を塗布する方法に限られず、例えば、フィルム状に形成された感光性絶縁材料を素子電極１２の上を含む保護膜１３上の全面に貼り合わせる方法を用いてもよい。この場合も、露光と現像と順次を行うことにより素子電極１２の上側部分が開口された絶縁膜１４を形成することができる。
【００３８】
次に、図２（ｂ）に示すように、素子電極１２の上を含む絶縁膜１４上の全面に、厚さが約０．２μｍのチタンと厚さが約０．５μｍの銅とを順次積層して下部金属膜１５を形成する。なお、下部金属膜１５の形成には、スパッタリング法、真空蒸着法、化学気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition)法又は無電解メッキ法等を用いることができる。
【００３９】
次に、図２（ｃ）に示すように、スピンコート法により、ポジ型又はネガ型の感光性レジスト材料を塗布した後、露光と現像とを順次行うことにより、所定の配線パターンを開口するメッキレジスト膜２１を形成する。その後、メッキレジスト膜２１をマスクとして用い、電解メッキ法等の厚膜形成法により、下部金属膜１５上に例えばＣｕからなる厚さが約１０μｍの上部金属膜１６を選択的に形成する。
【００４０】
次に、図２（ｄ）に示すように、メッキレジスト膜２１を溶解して除去した後、上部金属膜１６の間に露出した下部金属膜１５をエッチング除去することにより、下部金属膜１５及び上部金属膜１６からなる金属配線１７を形成する。これにより、金属配線１７は、外部と接続するための接続部となるランド部１７ａ及び素子電極１２とランド部１７ａとを接続する配線本体部１７ｂを有するようにパターニングされる。
【００４１】
ここで、下部金属膜１５の除去は、例えば、銅を除去するためのエッチング液として塩化鉄第二銅溶液を、チタンを除去するためのエッチング液としてエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）溶液を用いて行うことができる。なお、このエッチングに伴い、塩化鉄第二銅溶液によって上部金属膜１６もまたエッチングされるが、下部金属膜１５に比べて上部金属膜１６の方が十分に厚いため、上部金属膜１６の間に露出した下部金属膜１５のみを除去することができる。
【００４２】
次に、図３（ａ）に示すように、スピンコート法により、絶縁膜１４上における金属配線１７及びランド部１７ａの上を含む全面にＰＢＯ樹脂を塗布した後、露光と現像とを順次行うことにより、ランド部１７ａの上に円形状の開口部１８ａを有し、金属配線１７上の厚さが約３０μｍのソルダーレジスト膜１８を形成する。
【００４３】
なお、ソルダーレジスト膜１８を構成する材料はＰＢＯ樹脂に限られず、感光性を有する絶縁性樹脂材であればよい。
【００４４】
また、開口部１８ａの形状は円形状に限られず、楕円形状、長円形状又は多角形状であってもよい。ただし、円形状であると、後の工程において金属マスクを分離する際に、金属マスクに半田材が付着することなく分離することが容易になる。
【００４５】
次に、図３（ｂ）に示すように、ソルダーレジスト膜１８の開口部１８ａと対応する位置に円形状の孔部２２ａを有し、厚さが約１００μｍのニッケルからなる金属マスク２２をソルダーレジスト膜１８の上に保持する。ここで、金属マスク２２の孔部２２ａはソルダーレジスト膜の開口部１８ａよりも直径が大きくなるように形成されており、金属マスク２２は孔部２２ａの下側に開口部１８ａが位置するように保持される。
【００４６】
その後、印刷法により、ペースト状の半田材（クリーム半田）２３をスキージ２４を用いてランド部１７ａの上に塗布する。これにより、半田材２３がランド部１７ａ上の開口部１８ａと孔部２２ａとに半田材２３が充填される。
【００４７】
なお、金属マスク２２は、ニッケルからなるマスク膜に限られず、印刷法に用いられる一般的なマスク膜を用いてもよい。
【００４８】
次に、図３（ｃ）に示すように、金属マスク２２を分離した後、約２４０℃〜２５０℃に加熱することにより半田材２３を溶融する。これにより、開口部１８ａと孔部２２ａとに充填された半田材２３は、ソルダーレジスト膜１８をマスクとしてランド部１７ａと固着されると共に、ソルダーレジスト膜１８の上面よりも上側に位置する部分が表面張力によりほぼ半球状の形状となって、突出部分を有する金属バンプ１９が形成される。
【００４９】
ここで、厚さが約１００μｍの金属マスク２２を用いた場合、金属バンプ１９における突出部分の高さは約８０μｍとなる。
【００５０】
なお、本実施形態では、印刷法を用いることにより高密度の金属バンプ１９を低コストに形成しているが、金属バンプ１９の形成方法は印刷法に限られず、また金属バンプ１９の材料も半田材に限られない。例えば、銅等の導電性材料からなる金属ボールをソルダーレジスト膜１８の開口部１８ａに載置して溶融することにより金属バンプ１９を形成することもできる。
【００５１】
次に、図３（ｄ）に示すように、半田材２３のフラックスを洗浄した後、ドライエッチング法により、ソルダーレジスト膜１８を厚さが約１０μｍとなるまでエッチング除去してソルダーレジスト膜１８の膜厚を小さくする。これにより、金属バンプ１９の突出部分の高さが約１００μｍとなる。
【００５２】
ここで、ソルダーレジスト膜１８の厚さを１０μｍよりも小さくすると、被覆性が劣化して金属配線１７が露出する可能性があるため、ドライエッチング後のソルダーレジスト膜１８の厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。
【００５３】
なお、図３（ａ）に示す工程においてソルダーレジスト膜１８の厚さを３０μｍ以上に形成すれば、ソルダーレジスト膜１８を約１０μｍとなるまでエッチング除去することにより、金属バンプ１９の突出部分の高さをさらに大きくできる。
【００５４】
また、ソルダーレジスト膜１８に対するドライエッチング法として、例えば酸素ガス等の樹脂材を分解可能なエッチングガスを用いる化学的ドライエッチング法を用いてもよく、また、アルゴン等の不活性ガスを用いる物理的ドライエッチング法を用いてもよい。これらの方法により、樹脂材からなるソルダーレジスト膜１８を選択的にエッチングすることができる。
【００５５】
なお、このエッチング工程により、ソルダーレジスト膜１８の表面は、エッチングにより微小な凹凸が生じて粗面状となる。特にソルダーレジスト膜１８を構成する材料としてＰＢＯ樹脂を用いた場合には、ソルダーレジスト膜１８の形成後には透明であるが、このエッチング工程により表面が粗面となって光が乱反射するため、ソルダーレジスト膜１８が白濁する。
【００５６】
また、このエッチング工程により、洗浄工程の後に残る半田材２３に含まれるフラックス等の残渣を確実に除去できるため、実装時の樹脂封止を信頼性良く行うことができる。
【００５７】
その後、ウエハ状態の半導体チップ１１をダイシングによりチップごとに分割することにより、本実施形態の半導体装置を得ることができる。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態の半導体装置の製造方法によると、ソルダーレジスト膜１８の膜厚が小さくされるため、外部端子となる金属バンプ１９の突出部分の高さ寸法を大きくすることができる。これにより、実装時のスタンドオフを確保して実装後の信頼性を向上することができる。
【００５９】
なお、本実施形態の半導体装置の製造方法では、半導体チップ１１は、ウエハ状態に形成された状態から一連の工程を開始する必要はなく、あらかじめチップ状態に分割されていてもよい。例えば、半導体チップに不良が多い場合には、所定の検査を行って不良の半導体チップを除去した後に、不良のない半導体チップのみを対象として外部端子を形成することにより、製造コストを低減することできる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法によると、外部端子となる金属バンプを形成した後に、ソルダーレジスト膜の膜厚を小さくすることにより、金属バンプの突出部の高さ寸法を大きくすることができ、プリント基板等の実装用の基板に実装される際のスタンドオフを確保することが可能となり、実装後の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は表面の部材の一部をはがした状態を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるIb−Ib線部の構成断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面構成図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面構成図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は従来例に係る半導体装置を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１１半導体チップ
１２素子電極（電極）
１３保護膜
１４絶縁膜（第１の絶縁膜）
１５下部金属膜
１６上部金属膜
１７金属配線（配線）
１７ａランド部（接続部）
１７ｂ配線本体部
１８ソルダーレジスト膜（第２の絶縁膜）
１８ａ開口部
１９金属バンプ（外部端子）
２１メッキレジスト膜
２２金属マスク
２３半田材
２４スキージ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including metal bumps as external terminals.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as information communication devices and office electronic devices have become smaller and more advanced, semiconductor devices such as integrated circuit devices mounted on these electronic devices have been reduced in size. It is required to form the external terminals with high density so that the number of external terminals for output can be increased.
[0003]
Development of CSP (Chip Scale Package) technology in which external terminals are arranged so that a semiconductor device can be formed in the same size as a semiconductor chip is a technology for realizing such a demand.
[0004]
Hereinafter, as a conventional example, a wafer level CSP technique for forming wiring and external terminals for connecting electrodes of a semiconductor chip to the outside on a semiconductor chip in a wafer state will be described with reference to the drawings.
[0005]
FIG. 4A shows a cross-sectional configuration of a conventional semiconductor device. As shown in FIG. 4A, on a main surface of a semiconductor chip 101 including a semiconductor element, an element electrode 102 which is an electrode of the semiconductor element, and a protective film (passivation film) having an opening on the element electrode 102 ) 103 is formed. On the protective film 103, a metal wiring 107 in which a lower metal film 105 and an upper metal film 106 are stacked is formed via an insulating film 104 having an upper portion of the element electrode 102 opened.
[0006]
Here, the metal wiring 107 is formed with a land portion 107a serving as a connection portion for connection to the outside and a wiring main body portion 107b for connecting the element electrode 102 and the land portion 107a, and includes an insulation including the wiring main body portion 107b. On the film 104, a solder resist film 108 having an opening 108a on the land 107a is formed. The land portion 107 a is connected to a metal bump 109 formed so as to fill the opening portion 108 a of the solder resist film 108.
[0007]
Here, the metal bump 109 is formed by a printing method using a metal mask having a hole at a position corresponding to the opening 108 a of the solder resist film 108. Specifically, after forming the solder resist film 108, first, the metal mask is held so that the hole portion is located above the opening 108a of the solder resist film 108, and a paste solder material (cream solder) Is filled in the hole of the metal mask and the opening 108a of the solder resist film 108. Subsequently, by heating and melting the solder material, metal bumps 109 having protruding portions above the solder resist film 108 are formed on the land portions 107a.
[0008]
In the conventional semiconductor device, the metal wiring 107 and the metal bump 109 for connecting the element electrode 102 to the outside are arranged on the main surface of the semiconductor chip 101, so that the external terminals provided at a high density are in a wafer state. It is possible to form. In particular, by using a printing method, the metal bump 109 can be formed at low cost and with high productivity.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional semiconductor device, the height H1 of the metal bump 109 from the upper surface of the solder resist film 108 cannot be increased.
[0010]
This is due to the following reason. That is, when the metal bump 109 is formed by the printing method, the height H1 of the metal bump 109 mainly depends on the amount of solder material filled in the hole of the metal mask. However, when forming the external terminals with a high density, it is necessary to arrange the holes of the metal mask at a high density, so there is a limit to the size of the holes. Processing accuracy deteriorates. Therefore, there is a limit to the volume of the hole in the metal mask.
[0011]
As described above, in the conventional semiconductor device, since the volume of the hole of the metal mask used for filling the solder material is limited, the solder material is applied to the hole of the metal mask and the opening 108a of the solder resist film 108. Even when filled to the maximum, the height H1 of the metal bump 109 is about 70 to 90 μm, and it is difficult to make it larger than this.
[0012]
Further, the method is not limited to the case where the metal bump 109 is formed by a printing method. For example, a solder resist is used even when a metal material such as a solder ball is placed on the opening 108a of the solder resist film 108 and melted. The amount of the metal material held above the upper surface of the film 108 is limited by the surface tension when the metal material is melted, and therefore the height H1 of the metal bump 109 is limited.
[0013]
Hereinafter, problems caused by the small height H1 of the metal bump 109 will be described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 4B shows a cross-sectional configuration when the semiconductor device according to the conventional example is mounted. As shown in FIG. 4B, the conventional semiconductor device is mounted by melting and fixing metal bumps 109 on a mounting substrate 100 such as an electronic device.
[0015]
In the semiconductor device after mounting, stress is generated in the metal bump 109 due to the difference in physical properties between the semiconductor chip 101 and the substrate 100. In particular, since the difference in coefficient of thermal expansion between the semiconductor chip 101 and the substrate 100 is large, when the semiconductor chip 101 and the substrate 100 are expanded or contracted due to a temperature change during use, the metal bumps 109 located at the end of the semiconductor chip 101 are affected. Stress is concentrated.
[0016]
At this time, if the standoff H2 that is the distance between the substrate 100 and the semiconductor device is sufficiently large, the generated stress is absorbed by the metal bump 109, but if the standoff H2 is not sufficiently secured. The crack 109a is generated in the metal bump 109 due to stress, resulting in poor connection.
[0017]
Thus, in the conventional semiconductor device, since the height H1 of the metal bump 109 cannot be increased, the standoff H2 at the time of mounting cannot be sufficiently secured, and the crack 109a is likely to occur in the metal bump 109. There is a problem that the mounting reliability of the semiconductor device cannot be sufficiently secured.
[0018]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and to ensure a sufficient height in a protruding portion of a metal bump and improve mounting reliability in a semiconductor device using a metal bump as an external terminal. To do.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has a configuration in which the film thickness of the solder resist film is reduced after the formation of the metal bumps serving as the external terminals.
[0020]
Specifically, in the first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a first insulating film in which an upper portion of an electrode is opened is formed on a semiconductor chip in a wafer state having an electrode on a main surface. A first step, a second step of forming a wiring having one end connected to the electrode and the other end serving as a connecting portion on the first insulating film; A third step of forming a second insulating film made of an insulating resin material having an opening on the connecting portion on the insulating portion, and on the connecting portion using the second insulating film as a mask A fourth step of forming an external terminal made of a conductive member; and a fifth step of increasing the height of the protruding portion of the external terminal from the second insulating film by reducing the thickness of the second insulating film . The process is provided.
[0021]
According to the first method of manufacturing a semiconductor device, since the step of reducing the thickness of the second insulating film is provided after the step of forming the external terminal, the height dimension of the protruding portion of the external terminal is increased. It becomes possible. As a result, the standoff between the semiconductor device and the mounting substrate can be increased, and a semiconductor device with improved reliability after mounting can be realized. Further, since the semiconductor device is formed using the semiconductor chip in the wafer state, a plurality of semiconductor devices can be formed with high productivity.
[0022]
It is preferable that the manufacturing method of the first semiconductor device further includes a step of dividing the semiconductor chip in a wafer state into a chip state after the fifth step.
[0023]
A second method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a first step of forming a first insulating film having an upper portion of an electrode opened on a semiconductor chip having an electrode on a main surface; A second step of forming a wiring having one end connected to the electrode and the other end serving as a connection on the first insulating film; and on the first insulating film including the wiring. A third step of forming a second insulating film made of an insulating resin material having an opening on the connecting portion; and an external terminal made of a conductive member on the connecting portion using the second insulating film as a mask. And a fifth step of increasing the height of the protruding portion of the external terminal from the second insulating film by reducing the film thickness of the second insulating film . .
[0024]
According to the second method for manufacturing a semiconductor device, since the step of reducing the thickness of the second insulating film is provided after the step of forming the external terminal, the height dimension of the protruding portion of the external terminal is increased. Thus, a semiconductor device with improved mounting reliability can be realized. It is also possible to reduce the manufacturing cost by forming a semiconductor device after removing the defective semiconductor chip.
[0025]
In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the fifth step is preferably performed by dry etching on the second insulating film. In this way, the second insulating film can be selectively etched, and the height dimension of the protruding portion of the external terminal can be reliably increased.
[0026]
In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the fourth step is a step of applying a paste-like solder material on the connection portion using a mask film that opens above the opening portion of the second insulating film. And a step of melting the solder material after removing the mask film. If it does in this way, a high-density external terminal can be formed at low cost.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1A shows the planar configuration of the semiconductor device according to the present embodiment in a state where a part of the surface members (metal bumps and solder resist film) is peeled off, and FIG. The cross-sectional structure of the Ib-Ib line | wire part in Fig.1 (a) is shown.
[0029]
As shown in FIG. 1A and FIG. 1B, a plurality of element electrodes 12 that are electrodes of a semiconductor element are formed on the peripheral surface of the semiconductor chip 11 on the main surface of the semiconductor chip 11, A protective film 13 for protecting the semiconductor element is formed so as to open the element electrode 12. An upper portion of the element electrode 12 is opened on the protective film 13, and an insulating film 14 made of a photosensitive insulating material is formed. On the insulating film 14 including the element electrode 12, titanium and A metal wiring 17 is formed by laminating a lower metal film 15 made of copper and an upper metal film 16 made of copper. Here, the metal wiring 17 has a land portion 17a and a wiring main body portion 17b which are connection portions with external terminals, and the wiring main body portion 17b connects the element electrode 12 and the land portion 17a.
[0030]
A solder resist film 18 made of a polybenzoxazole polyimide (PBO) resin having an opening 18a in the upper portion of the land portion 17a is formed on the insulating film 14 including the metal wiring 17. The solder resist film 18 has a thickness on the metal wiring 17 of about 10 μm, and its surface is etched to be rough.
[0031]
In the opening 18a of the solder resist film, metal bumps 19 made of a solder material are formed so as to be connected to the land 17a. Thereby, since the element electrode 12 is connected to the metal bump 19 via the metal wiring 17, the metal bump 19 functions as an external terminal.
[0032]
The metal bumps 19 are formed at a high density so that the distance (pitch) between the centers of the adjacent metal bumps 109 is about 400 μm. The height of the metal bump 19 from the upper surface of the solder resist film 18 (the height of the protruding portion) is about 100 μm, which is higher than the conventional one.
[0033]
As a feature of the semiconductor device of this embodiment, since the protruding portion of the metal bump 19 is formed higher than the conventional one, the standoff when connected to the mounting substrate can be made larger than the conventional one. The mounting reliability of the device is improved.
[0034]
Hereinafter, a method of manufacturing the semiconductor device of the present embodiment configured as described above will be described with reference to the drawings. In the following description, the same members as those in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0035]
FIG. 2A to FIG. 2D and FIG. 3A to FIG. 3C show cross-sectional structures in the order of steps of the method of manufacturing a semiconductor device according to this embodiment. 2A to 2D and FIGS. 3A to 3C illustrate only one chip region among a plurality of semiconductor chips formed in a wafer state. .
[0036]
First, as shown in FIG. 2A, the device electrode 12 and the protective film 13 are formed on the main surface of the semiconductor chip 11 in the wafer state. Thereafter, a photosensitive insulating material is applied to the entire surface of the protective film 13 including the top of the element electrode 12 by spin coating, and then the photosensitive insulating material is patterned by performing exposure and development sequentially to thereby pattern the element electrode 12. An insulating film 14 having an upper portion opened is formed.
[0037]
As the photosensitive insulating material constituting the insulating film 14, for example, an ester bond type polyimide resin or an acrylic epoxy resin can be used. The method of forming the insulating film 14 is not limited to the method of applying a photosensitive insulating material by spin coating, and for example, a protective film 13 including a photosensitive insulating material formed in a film shape on the element electrode 12. A method of bonding to the entire upper surface may be used. Also in this case, the insulating film 14 in which the upper portion of the element electrode 12 is opened can be formed by sequentially performing exposure and development.
[0038]
Next, as shown in FIG. 2B, titanium having a thickness of about 0.2 μm and copper having a thickness of about 0.5 μm are sequentially formed on the entire surface of the insulating film 14 including the element electrodes 12. The lower metal film 15 is formed by laminating. The lower metal film 15 can be formed by sputtering, vacuum vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), electroless plating, or the like.
[0039]
Next, as shown in FIG. 2C, a positive or negative photosensitive resist material is applied by spin coating, and then a predetermined wiring pattern is opened by sequentially performing exposure and development. A plating resist film 21 is formed. Thereafter, using the plating resist film 21 as a mask, the upper metal film 16 made of, for example, Cu and having a thickness of about 10 μm is selectively formed on the lower metal film 15 by a thick film forming method such as an electrolytic plating method.
[0040]
Next, as shown in FIG. 2D, after the plating resist film 21 is dissolved and removed, the lower metal film 15 exposed between the upper metal films 16 is removed by etching. A metal wiring 17 made of the upper metal film 16 is formed. Thereby, the metal wiring 17 is patterned so as to have a land portion 17a serving as a connection portion for connection to the outside and a wiring main body portion 17b connecting the element electrode 12 and the land portion 17a.
[0041]
Here, the lower metal film 15 is removed using, for example, a cupric chloride solution as an etchant for removing copper and an ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) solution as an etchant for removing titanium. be able to. Accompanying this etching, the upper metal film 16 is also etched by the cupric chloride solution. However, since the upper metal film 16 is sufficiently thicker than the lower metal film 15, Only the lower metal film 15 exposed to can be removed.
[0042]
Next, as shown in FIG. 3A, a PBO resin is applied to the entire surface of the insulating film 14 including the metal wiring 17 and the land portion 17a by spin coating, and then exposure and development are sequentially performed. Thus, a solder resist film 18 having a circular opening 18a on the land portion 17a and having a thickness on the metal wiring 17 of about 30 μm is formed.
[0043]
In addition, the material which comprises the soldering resist film 18 is not restricted to PBO resin, What is necessary is just the insulating resin material which has photosensitivity.
[0044]
The shape of the opening 18a is not limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, an oval shape, or a polygonal shape. However, when it is circular, when the metal mask is separated in a subsequent process, it becomes easy to separate the metal mask without adhering to the metal mask.
[0045]
Next, as shown in FIG. 3B, a metal mask 22 made of nickel having a circular hole 22a at a position corresponding to the opening 18a of the solder resist film 18 and having a thickness of about 100 μm is soldered. It is held on the resist film 18. Here, the hole 22a of the metal mask 22 is formed to have a larger diameter than the opening 18a of the solder resist film, and the metal mask 22 has the opening 18a positioned below the hole 22a. Retained.
[0046]
Thereafter, a paste-like solder material (cream solder) 23 is applied onto the land portion 17a using a squeegee 24 by a printing method. Thereby, the solder material 23 fills the opening 18a and the hole 22a on the land portion 17a.
[0047]
The metal mask 22 is not limited to a mask film made of nickel, and a general mask film used in a printing method may be used.
[0048]
Next, as shown in FIG. 3C, after separating the metal mask 22, the solder material 23 is melted by heating to about 240 ° C. to 250 ° C. As a result, the solder material 23 filled in the opening 18a and the hole 22a is fixed to the land portion 17a using the solder resist film 18 as a mask, and a portion located above the upper surface of the solder resist film 18 is formed. Due to the surface tension, the metal bump 19 having a substantially hemispherical shape and having a protruding portion is formed.
[0049]
Here, when the metal mask 22 having a thickness of about 100 μm is used, the height of the protruding portion of the metal bump 19 is about 80 μm.
[0050]
In this embodiment, the high-density metal bumps 19 are formed at a low cost by using a printing method. However, the method for forming the metal bumps 19 is not limited to the printing method, and the material of the metal bumps 19 is also a solder. Not limited to materials. For example, the metal bump 19 can be formed by placing a metal ball made of a conductive material such as copper on the opening 18a of the solder resist film 18 and melting it.
[0051]
Next, as shown in FIG. 3D, after the flux of the solder material 23 is washed, the solder resist film 18 is removed by dry etching until the thickness of the solder resist film 18 becomes about 10 μm. Reduce the film thickness. Thereby, the height of the protruding portion of the metal bump 19 becomes about 100 μm.
[0052]
Here, if the thickness of the solder resist film 18 is smaller than 10 μm, the covering property may be deteriorated and the metal wiring 17 may be exposed. Therefore, the thickness of the solder resist film 18 after dry etching is 10 μm or more. Preferably there is.
[0053]
If the thickness of the solder resist film 18 is formed to 30 μm or more in the step shown in FIG. 3A, the solder resist film 18 is removed by etching until the thickness becomes about 10 μm. The size can be further increased.
[0054]
Further, as a dry etching method for the solder resist film 18, for example, a chemical dry etching method using an etching gas capable of decomposing a resin material such as oxygen gas may be used, or a physical method using an inert gas such as argon. A dry etching method may be used. By these methods, the solder resist film 18 made of a resin material can be selectively etched.
[0055]
By this etching process, the surface of the solder resist film 18 becomes rough due to fine irregularities caused by the etching. In particular, when a PBO resin is used as a material constituting the solder resist film 18, it is transparent after the solder resist film 18 is formed. However, the etching process causes the surface to become rough and light is irregularly reflected. The resist film 18 becomes cloudy.
[0056]
Further, since this etching process can reliably remove residues such as flux contained in the solder material 23 remaining after the cleaning process, resin sealing at the time of mounting can be performed with high reliability.
[0057]
Thereafter, the semiconductor device 11 of this embodiment can be obtained by dividing the semiconductor chip 11 in the wafer state into chips by dicing.
[0058]
As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device of the present embodiment, since the thickness of the solder resist film 18 is reduced, the height dimension of the protruding portion of the metal bump 19 serving as the external terminal can be increased. it can. Thereby, the standoff at the time of mounting can be ensured and the reliability after mounting can be improved.
[0059]
In the semiconductor device manufacturing method of this embodiment, the semiconductor chip 11 does not need to start a series of steps from the state formed in the wafer state, and may be divided into the chip state in advance. For example, when there are many defects in a semiconductor chip, after performing a predetermined inspection and removing the defective semiconductor chip, an external terminal is formed only for the semiconductor chip having no defect, thereby reducing the manufacturing cost. it can.
[0060]
【The invention's effect】
According to the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, after forming the metal bumps to be the external terminals, by reducing the film thickness of the solder resist film, the height dimension of the protruding portion of the metal bumps can be increased, It is possible to secure a standoff when mounted on a mounting board such as a printed board, and the reliability after mounting can be improved.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1A is a plan view showing a state in which a part of a surface member is peeled off; FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the Ib-Ib line portion in (a).
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional configuration diagrams in order of steps showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional configuration diagrams in the order of steps showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIGS.
4A and 4B are cross-sectional views showing a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
11 Semiconductor chip 12 Element electrode (electrode)
13 Protective film 14 Insulating film (first insulating film)
15 Lower metal film 16 Upper metal film 17 Metal wiring (wiring)
17a Land part (connection part)
17b Wiring body 18 Solder resist film (second insulating film)
18a Opening 19 Metal bump (external terminal)
21 Plating resist film 22 Metal mask 23 Solder material 24 Squeegee

Claims

A first step of forming a first insulating film in which an upper portion of the electrode is opened on a semiconductor chip in a wafer state having an electrode on a main surface;
A second step of forming a wiring having one end connected to the electrode and the other end serving as a connecting portion on the first insulating film;
A third step of forming a second insulating film made of an insulating resin material having an opening on the connection portion on the first insulating film including the wiring;
A fourth step of forming an external terminal made of a conductive member on the connection portion using the second insulating film as a mask;
And a fifth step of increasing the height of the protruding portion of the external terminal from the second insulating film by reducing the film thickness of the second insulating film. Device manufacturing method.

The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of dividing the semiconductor chip in the wafer state into chip states after the fifth step.

A first step of forming, on a semiconductor chip having an electrode on a main surface, a first insulating film in which an upper portion of the electrode is opened;
A second step of forming a wiring having one end connected to the electrode and the other end serving as a connecting portion on the first insulating film;
A third step of forming a second insulating film made of an insulating resin material having an opening on the connection portion on the first insulating film including the wiring;
A fourth step of forming an external terminal made of a conductive member on the connection portion using the second insulating film as a mask;
And a fifth step of increasing the height of the protruding portion of the external terminal from the second insulating film by reducing the film thickness of the second insulating film. Device manufacturing method.

The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the fifth step is performed by dry etching with respect to the second insulating film.

The fourth step includes a step of applying a paste-like solder material on the connection portion using a mask film that opens above the opening of the second insulating film, and after removing the mask film, The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of melting the solder material.