JP4440494B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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、さらに詳しくは、半導体チップのシリコンウエハー機能素子面上のパッド電極と導通を取るように形成された突起電極と、該突起電極のハンダボールとの接続面以外が被覆された封止樹脂と、該接続面に搭載されたハンダボールを具備する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高機能化に伴い、半導体装置の接続端子の数を増大させ、高密度化する傾向にある。周辺端子型の実装技術として使用されているクワッドフラットパッケージ構造（ＱＦＰ構造）の場合、前記接続端子の数を多くするためには外形サイズを大きくして対応しなくてはならない。これに対して、チップサイズパッケージ構造（ＣＳＰ構造）での半導体装置は、接続端子がアレイの外周ではなくアレイ上に配置されているので、前記接続端子の数を増加させても、外形サイズの変更を最小限に留めることが可能であり、現在の高密度実装技術の主流となっている。
【０００３】
従来の半導体装置の例としてＣＳＰ構造ついて図４を用いて説明する。
【０００４】
半導体チップ１は、シリコンウェハー４上に多数の電子回路が配置された能動素子面に形成されたアルミニウムを主成分とするパッド電極２と、パッド電極２表面が露出するように、無機系、有機系膜のいずれかまたは両方の膜からなる２層構造の保護膜３で覆われており、外部とは電気的に絶縁されている。更に、前記半導体チップ１のパッド電極２上面に、電極配置を任意の位置に変えるための銅材からなる配線パターン６と、外部の配線基板上の電極端子（図示せず。）に応じた所定の位置に銅またはニッケル材からなる突起電極５が形成され、その配線パターン６及び突起電極５は、ハンダボール９の搭載するための端面を残してエポキシ系のモールド樹脂１６によって覆われており、その突起電極５の端面にはハンダボール９が搭載されている。
【０００５】
前記半導体装置の製造方法を、図４、図５（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する
【０００６】
まず、シリコンウェハーの能動素子面の任意の位置にアルミニウムを主成分とするパッド電極２がフォトリソグラフィー法により形成され、該パッド電極２以外の領域はＳｉＮ／ポリイミド等の２層構造の保護膜３で覆い、半導体チップ１である図５（ａ）の構造体を得る。
【０００７】
続けて、前記半導体チップ１の全面にチタン／銅の２層の金属膜をスパッタリング法で形成し、続けてフォトリソグラフィー法により所望の形状の配線パターンを形成し、図５（ｂ）の構造体を得る。
【０００８】
更に、３０μｍ厚の厚膜レジストを塗布し、フォトリソグラフィー法により所望の開口径を有するレジストパターンを形成し、無電解メッキ法により、開口した箇所のみに２０μｍ厚の銅またはニッケル材を成長させて突起電極５を形成し、続けて、その表面に０．５μｍの金材の突起電極被覆膜２０を形成する。その後、前記レジストパターンを除去して図５（ｃ）の構造体を得る。
【０００９】
更に、少なくとも突起電極５よりも厚く、前記半導体チップ１の全面を覆うように、エポキシ系の樹脂を周知のモールドプレス法にて塗布し、任意の温度で硬化させてモールド樹脂１６を形成し、図５（ｄ）の構造体を得る。
【００１０】
最後に、前記モールド樹脂１６表面を突起電極５端面が露出するまで機械的に研磨し、その端面に粘度の高いフラックスを付着させた錫鉛共晶ハンダからなるハンダボール９を搭載し、フラックスの粘性（タック性）を利用してハンダボールを所定の位置に保持させる。更に、ハンダボールの溶融温度以上のリフロー工程で、突起電極５とハンダボール９とを電気的に接続させて図４に示すＣＳＰ構造の半導体装置が形成される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術による半導体装置は、半導体チップ１の全面にモールド樹脂１６を形成した後、突起電極５の端面が露出するまで機械的に研磨していたので、その表面は平坦となっていた。そのため、突起電極５上に粘度の高いフラックスを用いてハンダボール９を搭載した後に行うリフロー工程で前記半導体装置が高温にさらされると、フラックスの粘度が低下し、リフロー炉内を搬送するときのコンベアの振動や温風の対流により、前記ハンダボールが移動してしまう場合があった。前記ハンダボール９が移動してしまうと、隣接するハンダボール９同士が溶融結合してハンダブリッジが発生して肥大なハンダボールが形成されたり、ハンダボールの未搭載箇所ができてしまい、チップ不良となっていた。
【００１２】
また、前記リフロー工程でのハンダボールの微妙な位置バラツキがどうしても生じてしまうので、それを補完して確実な電気的接続を得るために、必要以上に大きなハンダボールを使用しなくてはならなかった。必要以上の大きさのハンダボールは、使用するハンダ量が多くなるばかりでなく、高密度実装するための電極ピッチの狭小化に不都合を生じさせていた。
【００１３】
（発明の目的）
本発明の目的は、外部の配線基板上の電極端子との接続に用いるハンダボールの未搭載や、ハンダブリッジの発生を最小限に抑え、必要最小径のハンダボールを使用できる半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は以下記載の手段を採用する。
【００２１】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体チップのシリコンウエハー能動素子面上のパッド電極と導通するように突起電極を形成する工程と、該突起電極に対応する位置に任意の高さの突起部を有する型基板を形成する工程と、該型基板と半導体チップの位置を合わせて貼り合わせる工程と、半導体チップと型基板の間隙に封止樹脂を充填し、該封止樹脂を硬化させる工程と、該型基板を除去して封止樹脂表面に凹部を形成する工程と、該凹部内にハンダボールを搭載し突起電極と電気的に接続する工程とを具備することを特徴とする。
【００２２】
本発明の半導体装置の製造方法は、前記封止樹脂表面に凹部を形成する工程の後に、封止樹脂全面をエッチングする工程を具備する事を特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体装置の製造方法は、前記型基板を除去する工程が機械的研磨とエッチング法の組み合わせまたは、エッチング法のみで行うことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の構造は、図１に示すものである。
【００２６】
まず、図１の構造断面図を用いて本発明の半導体装置の構成について説明する。半導体チップ１は、シリコンウエハー４上の能動素子面に形成されたパッド電極２と、該パッド電極２を露出させる箇所以外のシリコンウェハー４の表面は、シリコン酸化膜の無機系の膜とポリイミド等の有機系の膜で構成された２層構造の保護膜３で覆われており、外部とは電気的に絶縁された構成となっている。前記パッド電極２は例えばアルミニウムである。
【００２７】
更に、前記パッド電極２上には電極配置を任意の位置に変えるために銅材を用いた厚みが約２μｍの配線パターン６が形成されており、該配線パターン６上の任意の位置に、銅やニッケル材を用いた突起電極５が形成されている。前記突起電極５の材料は、銅やニッケル材に限らず他の材料でも構わないが、配線パターン６の材料と突起電極５に使用する材料とが相互拡散を起こす場合には、配線パターン６の上層に金属拡散防止層としてクロムまたはチタン材等を形成することが好ましい。
【００２８】
更に、シリコンウェハー４の能動素子面と突起電極５を保護するために形成された封止樹脂８の高さは、前記突起電極５よりも高く、更に、ハンダボール９を搭載する位置の封止樹脂８表面に凹部が形成されており、且つ前記突起電極の一部が該封止樹脂８の凹部内で露出するように形成されている。前記封止樹脂８には例えば熱硬化性のエポキシ系樹脂を使用することができる。
【００２９】
このように、前記封止樹脂８には矩形形状の凹部が形成されているので、このリフロー工程で高温にさらされてフラックスの粘度が低下しても、ハンダボール９の移動を最小限に留め、突起電極５に固定された状態で安定した電気的接続ができる。
【００３０】
また、前記封止樹脂８の凹部底面の少なくとも縁部が丸みを帯びている事が望ましい。さらに望ましくは、ハンダボール９の形状に合わせて凹部が形状されていれば、前記リフロー工程でのハンダボール９の移動を最小限に留める事ができ、ハンダボール９と突起電極５をより安定させた状態で電気的接続を行う事ができる。
【００３１】
更に、前記突起電極５の表面に、後に搭載するハンダボール９との濡れ性が良好な突起電極被覆膜を形成してからハンダボール９との電気的接続が成されることが好ましい。前記突起電極被覆膜は、ハンダボール９の搭載後に行うリフロー工程段階で高温にされされる為、ハンダボール９内にその少なくとも一部が拡散する。その拡散の度合いは、リフロー工程の温度条件により異なり、前記突起電極被覆膜が完全に拡散する場合もある。例え前記突起電極被覆膜が完全にハンダボール９内に拡散してしまい、その界面から消失してしまっても、動作上の信頼性において全く問題はないことは周知事項である。
【００３２】
（実施例１）
以下に、本発明の半導体装置の製造方法の断面図である図１、図２、図３を用いて以下に説明する。
【００３３】
まず、本発明の半導体装置を形成する為の、型基板１０の製造方法について図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
【００３４】
図２（ａ）は、ベースプレートに金属層が形成された構造体の断面図である。ベースプレート１２には板厚５００μｍのアルミニウム材の平板を用い、その全面に、スパッタリング法でチタン膜をＤＣ１．５ｋＷ、圧力１Ｐａ、アルゴン雰囲気中で０．１μｍの膜厚で成膜し、更に銅膜をＤＣパワー３ｋＷ、圧力１Ｐａ、アルゴン雰囲気中で２μｍの膜厚で積層して２層構造の金属層１３を形成し、図２（ａ）の構造体を得た。前記チタン膜は後に行う突起部１１の形成の為の電解メッキ法の共通電極と、ベースプレート１２と該突起部の密着層として必要な膜である。
【００３５】
図２（ｂ）は、前記構造体にレジストパターンと突起部が形成された構造体を示す断面図である。前記金属層１３の全面に、回転塗布法で感光性のレジストを約３５μｍの膜厚で塗布し、フォトリソグラフィー法により、後で形成する半導体チップ上の突起電極５の配置に対応した位置に直径２００μｍの開口部を有するレジストパターン１４を形成した。その後、電解メッキ法により前記開口部に３０μｍ厚の銅材の突起部１１を成長させて図２（ｂ）の構造体を得た。
【００３６】
図２（ｃ）は、型基板１０の完成体を示す断面図である。前記レジストパターン１４を市販のレジスト剥離液で除去し、図２（ｃ）に示す所望のパターンの突起部１１を有する型基板１０を形成した。
【００３７】
次に、図３（ａ）〜（ｄ）を用いて、本発明の半導体装置の形成方法について説明する。
【００３８】
図３（ａ）は半導体チップの任意の位置に突起電極を形成した構造体の断面図である。まず、従来技術の半導体装置と同様に、シリコンウェハー４上にパッド電極２と保護膜３からなる半導体チップ１と配線パターン６を形成した。続けて、その全面に回転塗布法で感光性のレジストを５０μｍの膜厚で塗布し、フォトリソグラフィー法により所定の位置に２００μｍの開口径を有するレジストパターンを形成した。
【００３９】
その後、その開口部に無電解メッキ法で銅１９μｍ厚の突起電極５を成長させ、続けて、その表面に金材の０．５μｍ厚の突起電極被覆膜２０を成長させた。前記突起電極被覆膜２０は後に搭載するハンダボール９との濡れ性を得るための膜と、後で説明する型基板を除去する際のエッチングストップ膜の機能を有する。続けて、前記レジストパターンを市販のレジスト剥離液にて除去して図３（ａ）に示す構造体を得た。
【００４０】
図３（ｂ）は前記構造体の突起電極５と図２（ｃ）の型基板の突起部の位置を合わせた状態の構造断面図である。このように、半導体チップ上に形成された突起電極５と、型基板１０上に形成された突起部１１との位置を図３（ｂ）のように位置を合わせた後に接触させ、突起電極５と突起部１１とを密着した状態で両基板を固定した。
【００４１】
図３（ｃ）は半導体チップ１と型基板１０の間隙に封止樹脂８を充填した状態の構造断面図である。まず、前記両基板を固定した状態で、２Ｐａ以下の真空状態で半導体チップ１と型基板１０の間隙に、直径３０μｍ以下のフィラーが含有しており、そのフィラー含有量が２０〜６０ｗｔ％であり、粘度が９Ｐａ・ｓの熱硬化性のエポキシ樹脂である封止樹脂８をディスペンス法で吐出させた。その後、徐々に大気圧に戻すことにより、半導体チップ１と型基板１０の間隙に封止樹脂８が充填された。更に、封止樹脂８を大気圧下で１６０度１時間硬化させて図３（ｃ）の構造体を得た。
【００４２】
図３（ｄ）は、封止樹脂８の表面に凹部が形成され、その凹部内に突起電極の一部が露出した状態の構造断面図である。まず、必要に応じて、研磨装置を用いてシリコンウェハー４の裏面研磨を行い、２００〜６２５μｍ程度とした。続けて、型基板１０のアルミニウム材のベースプレート１２を機械研磨法で２０〜３０μｍとなるまで削り、最終的にはリン酸、硝酸、酢酸を混合したエッチング液を用いてウェットエッチング法でベースプレート１２を完全に除去した。更に、金属層１３のチタン材部分をアルゴン雰囲気中においてＤＣ４ＯＯＷ、圧力１Ｐａ、８ｍｉｎの条件で周知のスパッタエッチング法で除去し、金属層１３の銅材部分と突起部１１を硝酸５０％水溶液を用いてウェットエッチング法で除去して図３（ｄ）の構造体を得た。
【００４３】
上記方法により、前記封止樹脂８の高さは突起電極よりも高く、前記突起電極のが凹部内で露出させた構造体を得ることができた。また、前記ベースプレート１２を機械研磨法とウェットエッチング法の組合せにより除去しても良いが、ウェットエッチング法のみでベースプレート１２を除去しても構わない。
【００４４】
また、前記凹部内で露出している突起電極５の表面には、金材からなる突起電極被覆膜２０が配置されているので、該突起電極被覆膜２０がエッチングストップ膜として作用し、前記ウェットエッチングの段階で突起電極までエッチングが進行することは無い。よって、突起電極被覆膜２０は、後に形成するハンダボールとの濡れ性を向上させるばかりでなく、本発明の半導体装置を形成する上で重要な膜である。
【００４５】
図１は本発明の半導体装置の完成体を示す構造断面図である。まず、前記構造体の封止樹脂８表面の凹部内に、錫と鉛との比率が６３：３７の組成で直径が０．３ｍｍで、粘度が１６Ｐａ・ｓ、固形分含有量７０％のロジン系のフラックスをボールプレイサー等を用いて転写されたハンダボール９を搭載した。前記ハンダボール９は、フラックスの持つタック性により突起電極５上に確実に保持させることができた。また、前記封止樹脂８の凹部内にハンダボール９を搭載する方法は、ディスペンサを用いて突起電極５の露出面にロジン系フラックスを塗布した後、ハンダボール９を封止樹脂８の凹部内に搭載しても構わない。
【００４６】
その後、酸素濃度が１０００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中で、最高温度が２４０℃のリフロー工程によりハンダボール９と突起電極５とを接続した。続けて、接続部周囲に残っているフラックス残渣を水洗浄で取り除いて、突起電極５と電気的接続が成された高さ約０．２ｍｍのハンダボール９が形成された半導体装置を形成する事ができた。このように、本発明の半導体装置は、ハンダボール搭載位置に凹状の窪みあるので、リフロー時にフラックスの粘度が低下してもハンダボール９が移動せず、ハンダブリッジによる肥大なハンダボールやハンダボールの欠落の発生を最小限に留める構造とすることができた。
【００４７】
前記リフロー工程の段階で、半導体装置を２４０℃まで加熱するので、金材からなる突起電極被覆膜２０の材料は、少なくとも一部がハンダボール９内に拡散する。図１においては、突起電極拡散層２０が存在しない場合を示したが、この段階で突起電極被覆膜２０が残存していても動作上全く問題ない。
【００４８】
最後に、ダイシングソーにてチップ単位に切断することで図１に示すような半導体装置が完成した。
【００４９】
以上のように図１〜図３に示した半導体装置の工程断面図で判る通り、容易に本発明の目的を達成できる半導体装置を製造することができることを確認した。
【００５０】
また、封止樹脂８表面の凹部の形状は型基板１０の突起部１１の高さまたは形状を変える事で、任意に封止樹脂８表面の凹部の深さ、および形状を変更する事は可能である。例えば、凹部底面の縁部が少なくとも丸みを帯びた形状またはハンダボール９の形状に合わせた凹部形状を、型基板１０の突起部１１の形状により制御する事ができる。
【００５１】
更に、図３（ｃ）の半導体チップ１と型基板１０の間に封止樹脂８を充填する際に、封止樹脂８の凹部内の突起電極５の露出面に封止樹脂が流れ込み、ハンダボール９との電気的接続不良を起こす場合は、図２（ｄ）の工程で、型基板１０を除去した後、封止樹脂８表面の全面を適度にエッチングし、突起電極５を確実に露出させてからハンダボール９との電気的接続を行うことが好ましい。
【００５２】
更に、図３（ｄ）においては、凹部内の底面で突起電極表面が露出する構造を示したが、凹部内であれば側面で突起電極５を露出させ、ハンダボール９と電気的接続をさせても本発明と同様な効果を得る事ができる。
【００５３】
（実施例２）
実施例１と異なる点は、図２に示した型基板１０の表面に、突起電極材料、封止樹脂材料に対し密着性の悪い材料、例えばテフロン（「テフロン」は登録商標）、シリコン等を被覆させた構造体（図示せず。以下表面コート型基板として説明する。）を用いて本発明の半導体装置を形成する点である。その製造方法は、前記表面コート型基板を用いて、実施例１に示した手順で封止樹脂表面に凹部を形成した後に、表面コート型基板を剥離して本発明の半導体装置を形成することができた。そして、再度別の半導体チップ１にこの表面コート型基板を用い、別の半導体装置を形成することができるので、本発明の半導体装置の量産性を向上させることができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置は、封止樹脂８の高さが突起電極５よりも高く、ハンダボール９を搭載する位置の封止樹脂８表面に凹部が形成されており、なおかつ突起電極の一部が該凹部内で露出するように形成されているので、該凹部内で突起電極５とハンダボール９を接続する為のリフロー工程でフラックスの粘度が低下しても、ハンダボール９は突起電極５との接続位置からの移動を最小限に留めることができ、更に、ハンダブリッジやハンダの未搭載等の不良を発生させることなく、突起電極５とハンダボール９とを確実に接続することが可能になる。
【００５５】
更に、ハンダボール９の搭載位置のばらつきや、ハンダボール９の微妙な位置移動を最小限に留めることができるので、必要最小径のハンダボール９を使用でき、ハンダ量の削減や、電極ピッチの狭小化に対しても本発明の半導体装置は有用な構造である。
【００５６】
尚、本発明の半導体装置は、ウエハーサイズだけではなく、チップ単位でも同様の方法で半導体装置を製造することができる。また、ＣＳＰ構造だけでなく、他の高密度化実装技術にも応用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の構造断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造に使用する型基板の形成方法を示す工程断面図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図４】従来技術における半導体装置の構造断面図である。
【図５】従来技術における半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体チップ
２ 電極
３ 保護膜
４ シリコンウエハー
５ 突起電極
６ 配線パターン
８ 封止樹脂
９ ハンダボール
１０ 型基板
１１ 突起部
１２ 金属層
１３ ベースプレート
１４ レジストパターン
２０ 突起電極被覆膜

Claims (3)

1. 半導体チップのシリコンウエハー能動素子面上のパッド電極と導通するように突起電極を形成する工程と、該突起電極に対する位置に任意の高さの突起部を有する型基板を形成する工程と、該型基板と半導体チップの位置を合わせて貼り合わせる工程と、半導体チップと型基板の間隙に封止樹脂を充填し該封止樹脂を硬化させる工程と、該型基板を除去して封止樹脂表面に凹部を形成する工程と、該凹部内にハンダボールを搭載し突起電極と電気的に接続する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記封止樹脂の表面に凹部を形成する工程の後に、封止樹脂全面をエッチングする工程を具備することを特徴とする請求項第１項に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記型基板を除去する工程が機械的研磨とエッチング法の組み合わせまたは、エッチング法のみで行うことを特徴とする請求項第１または2項のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。

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