JP4512027B2 - 半導体パッケージの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体パッケージの製造方法に関し、特にチップスケールパッケージをウェーハレベルで製造する方法に関する。
近年、電子産業は、機器を軽量化、小形化、高速化、多機能化、高性能化し、高い信頼性を有する製品を安価に製造することを求められている。このような製品設計の目標達成を可能とする重要技術の一つが、パッケージの組立技術である。チップスケールパッケージ（以下「チップスケールパッケージ」を「ＣＳＰ」という。）またはチップサイズパッケージは、最近、開発および提案されている新たなパッケージの類型であり、典型的なプラスチックパッケージに比べて多くの長所を有する。チップスケールパッケージの一番大きな長所は、パッケージのサイズである。ＪＥＤＥＣ（Joint Electron Device Engineering Council）、ＥＩＡＪ（Electronic Industry Association of Japan）のような国際半導体協会の定義によると、チップスケールパッケージは、半導体チップの１．２倍以内のパッケージサイズを有する。
しかしながら、ＣＳＰは、サイズの面において利点を有するが、まだ、既存のプラスチックパッケージに比べ種々の短所がある。その中の一つは、信頼性の確保が難しいということで、他の一つは、チップスケールパッケージの製造に追加投入される製造設備や所要資材が多く、製造コストが高く価格競争力が劣るということである。
そこで、本発明の目的は、パッケージの信頼性を向上させることができるチップスケールパッケージをウェーハレベルで製造する方法を提供することにある。
本発明によると、ＣＳＰはウェーハ状態で製造される。ＣＳＰは、半導体チップ上にチップパッドを再配列するための金属配線層と、一つまたは二つの絶縁層と、ＣＳＰの端子として働き前記金属配線層により各々のチップパッドに接続されるソルダボールとを含む。本発明による第１実施例において、金属配線層は、半導体ウェーハの表面又はパッシベーション層の上に直接形成され、第２実施例においては、半導体ウェーハの表面に絶縁層が形成された後、絶縁層上に金属配線層が形成される。第１実施例及び第２実施例において、金属配線層上に他の絶縁層を形成し、また、界面保全性（interface integrity）を向上するため、チップパッドと金属配線層の間及びソルダボールと金属配線層の間に、付加的な金属障壁層を形成することができる。
加えて、ＣＳＰの信頼性を向上するため、補強層、エッジ保護層及びチップ保護層が提供される。絶縁層の上部に形成された補強層は、ＣＳＰが回路基板に実装されて使用される場合、ソルダボールに加えられる衝撃を緩和し、ソルダボールの寿命を延長させる。エッジ保護層は、半導体ウェーハ上のチップ切断線に沿って半導体ウェーハの上面に形成され、チップ保護層は、半導体ウェーハの裏面に形成される。エッジ保護層及びチップ保護層は、外部圧力によるＣＳＰの損傷を防ぐ。半導体ウェーハ上にＣＳＰの構成要素を全部形成した後、半導体ウェーハが切断され、個別ＣＳＰを形成する。
本発明によるＣＳＰの製造方法は、広く利用可能な技術を使用し、よって、新たな技術や設備の開発は要求されない。さらに、本発明によるウェーハレベルでＣＳＰを製造する方法は、従来のチップレベルＣＳＰの製造方法に比べて生産性の点から有利である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の二つの実施例をより詳しく説明する。
（第１実施例）
図２乃至図１４は、本発明の第１実施例によるＣＳＰ及びその製造方法に関する。特に図１４はＣＳＰの部分断面図である。
図１に示すように、図１４のＣＳＰを製造するためには、まず、複数の半導体集積回路チップ５０ならびに半導体チップ５０間のチップ切断線５２を有する半導体ウェーハ４０を準備する。図２は、半導体チップのチップパッド１２及びパッシベーション層１４を示す半導体ウェーハ４０の一部横断面図である。チップパッド１２は、半導体チップの回路素子（図示せず）と接続する複数のチップパッドの一つであり、外部との電気的接続のためのアクセスを提供する。図１における半導体ウェーハ４０の作製は公知の技術であるため、その詳細な説明は省略する。
図３を参照すると、チップパッド１２及びパッシベーション層１４を含む半導体ウェーハ４０の全面に金属層１６が形成され、これにより、金属層１６とチップパッド１２とが電気的に接続される。金属層１６の厚さは、パッシベーション層１４の下部にチップ回路パターンを構成する金属層（図示せず）より大きく、約１〜５μｍであることが望ましい。金属層１６は、銅、アルミニウム、ニッケル、銅合金、アルミニウム合金及びニッケル合金等の種々の材質で形成されるが、これらに限るものではない。
半導体ウェーハ４０の表面上に金属層１６を形成した後、図４乃至図６に示すように、金属層１６をパターニングして金属配線層１７を形成する。まず、図４に示すように、金属層１６上に所定のパターンを有するホトレジスト層１８を形成する。ホトレジスト層１８は、金属配線層１７となる領域だけを覆う。その後、図５に示すように金属層１６をエッチングし、図６に示すようにホトレジスト層１８を除去すると、金属配線層１７が形成される。金属配線層１７のパターンは、チップパッド１２をどのように再配列すべきかによって任意に形成することができる。
金属配線層１７を形成するための他の方法としては、導体ペースト（図示せず）をチップパッド１２及びパッシベーション層１４の上面に直接スクリーンプリントし、ペーストを硬化することにより金属配線層１７を形成する方法がある。ペーストの好ましい例としては、金属粒子とバインダー樹脂の混合物が用いられる。
図７は、金属配線層１７を形成した後、半導体ウェーハ４０の全面に絶縁層２４を形成した状態を示す。絶縁層２４は、図１４におけるＣＳＰの一部となり、そのため、例えば、低吸湿率、低誘電率及び低熱膨張係数を有するような望ましい特性を有しなければならない。このような特性を考慮すると、絶縁層２４としては、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ：Benzo Cyclo Butene）が好適である。絶縁層２４としては、ＢＣＢだけでなく、例えば、ポリイミド、エポキシのような他のポリマー、ならびに窒化ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素と二酸化ケイ素の化合物のような無機材料などが用いられる。ポリマー絶縁層は、従来のスピン−コーティング法により形成し、無機絶縁層は、従来の気相蒸着法により形成することができる。これら両方の方法において、絶縁層の厚さは２〜５０μｍであることが望ましい。
図８を参照すると、絶縁層２４を部分的に除去してバンプパッド２２のための開口部を形成し、前記バンプパッド２２は、開口部から露出する金属配線層１７の一部である。バンプパッド２２は、再配列されたチップパッド１２と言うことができ、バンプパッド２２の位置は、バンプパッド２２を含んだＣＳＰが実装される基板の形態による。
開口部を形成した後、図９に示すように、絶縁層２４及びバンプパッド２２を覆うように金属障壁層２６が形成される。障壁層２６は、図１４における金属配線層１７とソルダボール３２間の拡散を防ぐとともに、金属配線層１７とソルダボール３２間の接着を強化する。さらに、障壁層２６は、電気メッキによりバンプパッド２２上にバンプ３２を形成する際、電気的供給媒体を提供する。障壁層２６は、通常二つ又は三つの層を含み、例えば、チタニウム／銅、チタニウム／チタニウム−銅／銅、クロム／クロム−銅／銅、チタニウム−タングステン／銅、アルミニウム／ニッケル／銅、又はアルミニウム／ニッケル−バナジウム／銅の構造を含む。チタニウム／チタニウム−銅／銅またはクロム／クロム−銅／銅の構造において、中間層であるチタニウム−銅層またはクロム−銅層を形成するために、二つのターゲットをもって同時にスパッタリングする同時スパッタリング（co-sputtering）法を用いる。図３の金属層１６を形成する前、チップパッド１２と金属層１６の間に金属障壁層２６と同様の構造を有する接着層（図示せず）を形成することができる。障壁層２６及び接着層の厚さは１μｍ以下であり、好ましくは、０．８〜１．０μｍである。
図１０に示すように、絶縁層２４の開口部及び開口部を取り囲む領域が露出するように、障壁層２６の上部には他のホトレジスト層２８が形成される。その後、ソルダバンプ３０のための金属、好ましくはソルダ合金がメッキされて、図１１に示すように、ホトレジスト層２８で被覆されない領域にソルダバンプ３０が形成される。メッキ法の代わりに、スクリーンプリント法、ボール配置（ball placement）法またはメタルジェット（metaljet）法により、バンプ３０を形成することができる。ここで、スクリーンプリント法は、マスクを用いてソルダペーストを印刷する方法であり、ボール配置法は、直ちにボールの形態を有するソルダを載置する方法であり、メタルジェット法は、絶縁層の開口部に液状のソルダをスプレーする方法である。ソルダバンプ３０を形成する前、数μｍ〜数十μｍの厚さを有する銅層（図示せず）をバンプパッド２２の障壁層２６に形成することができる。この銅層は、ソルダバンプ３０を溶融してソルダボール３２を形成するリフロー工程の間、ソルダバンプ３０と障壁層２６間の拡散により発生する信頼性不良を防止するためのものである。
ソルダバンプ３０を形成した後、エッチングによりホトレジスト層２８及び障壁層２６が除去され、図１２に示すように、ソルダバンプ３０下の障壁金属部２７だけが残る。それから、図１３に示すように、従来のリフロー法により、ソルダバンプ３０がソルダボール３２の形態を取ることになる。本実施例において、ソルダボール３２の高さは、３５０μｍ〜５００μｍである。
さらに、図１４に示すように、ソルダボール３２を支持し、且つＣＳＰが回路板（図示せず）上に実装される際にソルダボール３２に加わるストレスを吸収するため、絶縁層２４の上部に補強層３４を形成することができる。また、補強層３４は、耐久寿命を向上させる効果がある。従来のＣＳＰにおいて、前記のようなストレスに起因する不良が時々起こる。補強層３４を形成するため、低粘度を有する液状のポリマーを供給し硬化させることができる。低粘度の液状ポリマーは、表面張力によりポリマーをソルダボール３２の側面に引き付けることが可能であり、ボール３２の凹状支持部を形成することになる。補強層は、曲げ強さ（flexural strength）が高いほど、ソルダボール３２からより多くのストレスを吸収することができるので、硬化した後のポリマーは、高い曲げ強さを有することが好ましい。補強層３４は、ソルダボール３２の最上部を被覆してはならない。また、補強層３４は、ソルダボールの高さの１／４程度ソルダボール３２の最上部より低い地点までソルダボール３２と接触することが好ましい。
終わりに、図２乃至図１４で図示された段階を経た半導体ウェーハ４０は、チップ切断線５２に沿って切断され、図１５で概略的に示す個別ＣＳＰ９０が製造される。
（第２実施例）
実際に使用する間、ＣＳＰに加わる外部衝撃及び熱・機械的ストレスからＣＳＰを保護するため、本発明の第２実施例は、二つの絶縁層及び付加的な保護層を含む。この第２実施例を図１６乃至図２４を参照して説明する。
図１６を参照すると、チップパッド１２及びパッシベーション層１４を含む半導体ウェーハ４０の上に、下部絶縁層６０が形成される。半導体ウェーハ４０の全面に絶縁層を形成した後、チップパッド１２上の絶縁層をエッチングし、開口部を形成する。従来のエッチング法によりチップパッド１２上の絶縁層を除去することができる。下部絶縁層６０は、図２２に示すＣＳＰの一部となり、低吸湿率、低誘電率及び低熱膨張係数を有するような好ましい特徴を有しなければならない。下部絶縁層６０としては、ＢＣＢ、ポリイミド及びエポキシのようなポリマー、並びに窒化ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素と二酸化ケイ素の化合物のような無機材料が用いられる。その中でＢＣＢが好ましい。下部絶縁層６０を形成する工程は、前述したように、絶縁層２４を形成する工程と同様である。下部絶縁層６０の厚さは２〜５０μｍであることが望ましい。
下部絶縁層６０を形成した後、図１７に示すように、下部絶縁層６０及びチップパッド１２を覆うように、接着層６２が形成される。接着層６２は、図１９の金属配線層６６とチップパッド１２間の接着を強化する。接着層６２は、チタニウム／銅、チタニウム／チタニウム−銅／銅、クロム／クロム−銅／銅、チタニウム−タングステン／銅又はアルミニウム／ニッケル／銅のような、通常二つまたは三つの層を含む。接着層６２の厚さは約０．５μｍである。
図１８乃至図２０を参照して、金属配線層６６の形成を説明する。まず、金属配線層６６が形成される部分を除き、接着層６２を含む下部絶縁層６０上に所定のパターンを有するホトレジスト層６４を形成する。次に、蒸着法により、ホトレジスト層６４を介して露出される接着層６２上に金属配線層６６を形成する。剥離法によりホトレジスト層６４を除去し、エッチング法により接着層６２を露出させる。金属配線層６６は、銅、アルミニウム、ニッケル、銅合金、アルミニウム合金及びニッケル合金を含む種々の材料で形成されるが、これらに限定されるものではない。金属配線層６６は、図３乃至図６を参照して説明した前述の方法と類似の方法で形成することもできる。
図２１に示すように、金属配線層６６を形成した後、金属配線層６６の上部にバンプ７４が形成されるべき部分を残して上部絶縁層６８を形成する。その後、障壁層７２、ソルダボール７４及び補強層７６を形成し、図２２に示すＣＳＰを製造する。上部絶縁層６８の形成から補強層７６の形成に至る製造段階は、図７乃至図１４を参照して説明した前述の段階と同様である。また、上部絶縁層６８、障壁層７２、ソルダボール７４及び補強層７６の特徴も、前述したものと同様である。
本実施例は保護層、即ち、エッジ保護層８０及びチップ保護層８２をさらに含むことができる。図２３は、チップ切断線５２に沿って半導体ウェーハ４０上に形成されたエッジ保護層８０及び半導体ウェーハ４０の裏面に形成されたチップ保護層８２を示す。図２３の半導体ウェーハ４０を切断すると、図２４のＣＳＰ１００になる。エッジ保護層８０及びチップ保護層８２が形成されていない場合、ウェーハの切断及び後続のＣＳＰ１００の取扱過程で、図２５に示すようなエッジチッピング（edge chipping）という問題をもたらすことができる。
エッジ保護層８０は、ソルダボール７４を形成する前、例えば、エポキシ樹脂のようなポリマーをドッティングするか、スクリーンプリントし、ポリマーを硬化することにより形成することができる。エッジ保護層８０の幅はチップ切断線５２より広いことが好ましく、これによりエッジ保護層８０の一部は、図２４に示すように、外周に沿ってＣＳＰ１００上に残る。エッジ保護層８０の高さはソルダボール７４より低い。好ましくは、エッジ保護層８０の高さは、ソルダボール７４の高さの１／１０より低い。
チップ保護層８２は、半導体ウェーハを作製した後、ポリイミド及びエポキシのようなポリマーを半導体ウェーハの裏面にスピンコーティングすることにより形成することができる。チップ保護層の厚さは２〜５０μｍであることが好ましい。
（発明の効果）
本発明によるＣＳＰは、従来のＣＳＰとは異なり、多くの長所を有する。即ち、ソルダボールの信頼性を向上させ、エッジ保護層及びチップ保護層によりＣＳＰを保護することができ、コスト低減を図ることができる。補強層は、ＣＳＰが回路基板に実装される際、ソルダボールに加えられるストレスを吸入し、ソルダボールの寿命を延長させ、そのため、ＣＳＰの寿命が延長される。エッジ保護層及びチップ保護層は、ＣＳＰが外部の圧力により損することを防止する。本発明によるＣＳＰの製造方法は、既存の設備及び技術を使用し、そのため、新たな技術や設備を必要としない。さらに、本発明によるウェーハレベルＣＳＰの製造は、半導体集積回路チップを切断した後にＣＳＰを製造するチップレベルＣＳＰの製造より生産性面において有利である。
本発明の第１実施例に用いられる半導体集積回路チップ及び切断線を含む半導体ウェーハの概略的な平面図である。 本発明の第１実施例による図１における半導体ウェーハの部分断面図である。 本発明の第１実施例において、半導体ウェーハの上面に金属層を形成した後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、金属層上に所定のパターンを有するホトレジスト層を形成した後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、金属配線層を形成するため、マスクとしてホトレジスト層を用いて金属層をエッチングした後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、ホトレジスト層を除去した後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、金属配線層を含んだ半導体ウェーハの全面に絶縁層を形成した後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、金属バンプが金属配線層に接続される部分の導体層を露出するため、開口部を形成した後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、半導体ウェーハの全面に障壁層を形成した後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、絶縁層の開口部及び開口部を取り囲む絶縁層の一部が露出されるように、他のホトレジスト層を形成した後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、ホトレジストで被覆されていない領域にバンプを形成した後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、ホトレジスト層を除去した後の構造を示す。 本発明の第１実施例において、障壁層を除去した後の構造を示す。 絶縁層上に補強層を形成した後の構造を示し、本発明の第１実施例によるＣＳＰの概略断面図である。 本発明によるＣＳＰの底面図である。 本発明の第２実施例において、チップパッドを除いた半導体ウェーハの全面に下部絶縁層を形成した後の構造を示す。 本発明の第２実施例において、半導体ウェーハの全面に接着層を形成した後の構造を示す。 本発明の第２実施例において、接着層上に所定のパターンを有するホトレジスト層を形成した後の構造を示す。 本発明の第２実施例において、ホトレジスト層で被覆されない接着層上に金属配線層を形成した後の構造を示す。 本発明の第２実施例において、ホトレジスト層及びホトレジスト層下部の接着層を除去した後の構造を示す。 本発明の第２実施例において、ソルダボールが形成されるべき部分を除いた半導体ウェーハの全面に上部絶縁層を形成した後の構造を示す。 上部絶縁層上に補強層が形成された後の構造を示し、本発明の第２実施例によるＣＳＰの断面図である。 本発明によるエッジ保護層及びチップ保護層を含む半導体ウェーハの一部を示す。 図２３の半導体ウェーハから切断されたＣＳＰの断面図を示す。 エッジ保護層及びチップ保護層が形成されていない場合、発生し得る損傷を有するＣＳＰの断面図を示す。
符号の説明
１２：チップパッド
１４：パッシベーション層
１７、６６：金属配線層
２４：絶縁層
２７、６３、７２：金属障壁層
３２、７４：ボール
３４、７６：補強層
４０：半導体ウェーハ
５０：半導体チップ
６０：下部絶縁層
７０：ボールパッド
６８：上部絶縁層
８０：エッジ保護層
８２：チップ保護層

Claims (17)

  1. 複数の半導体集積回路チップ及び複数のチップ切断線を有し、前記半導体集積回路チップの各々の上面に複数のチップパッド及びパッシベーション層が形成された半導体ウェーハを準備する段階と、
    前記パッシベーション層上に直接金属配線層を形成し、前記チップパッドと前記金属配線層とを接続する段階と、
    複数の開口部を有する絶縁層を前記金属配線層上に形成する段階と、
    前記開口部を通じて前記金属配線層と接続される半導体パッケージの外部端子を複数個形成する段階と、
    前記半導体ウェーハの上面のチップ切断線に沿ってエッジ保護層を形成する段階と、
    前記半導体ウェーハを切断して、個別の半導体集積回路チップに分離する段階と、
    前記絶縁層上に補強層を形成する段階と、を含み、
    前記外部端子が前記補強層から露出することを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
  2. 前記外部端子を形成する段階は、
    各ソルダバンプが対応する開口部に実装されるように、前記絶縁層の開口部にソルダバンプを配置する段階と、
    前記ソルダバンプに熱を加えて前記ソルダバンプをソルダボールに変形させ、前記ソルダボールを前記金属配線層に取り付ける段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  3. 前記外部端子を形成する段階は、
    各々のバンプ開口部に対応する複数のマスク開口部を有するマスクを用いてソルダペーストをスクリーンプリントする段階と、
    バンプパッドに取り付けられるソルダバンプを形成するため、前記ソルダペーストを加熱する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  4. 前記補強層はポリマーで形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  5. 前記補強層を形成する段階は、液状のポリマーを供給し、前記ポリマーを硬化させる段階を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体パッケージの製造方法。
  6. 前記補強層は、前記複数の外部端子の先端を連結する表面より下側に位置することを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  7. 前記表面から前記補強層と前記外部端子が接触している地点までの垂直距離は、８７．５μｍ以上１２５μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体パッケージの製造方法。
  8. 前記金属配線層を形成する段階は、導電性ペーストをスクリーンプリントし、前記ペーストを硬化する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  9. 前記金属配線層を形成する段階は、金属層をメッキし、前記金属層をエッチングする段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  10. 前記絶縁層は、ベンゾシクロブテン、ポリイミド及びエポキシ樹脂よりなる群から選ばれる高分子材料を含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  11. 前記半導体ウェーハの裏面にチップ保護層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  12. 前記チップ保護層は、スピンコーティング法により形成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  13. 前記エッジ保護層を形成する段階は、前記半導体ウェーハの切断線に液状の材料を供給する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。
  14. 複数の半導体集積回路チップ及び複数のチップ切断線を有し、前記半導体集積回路チップの各々の上面に複数のチップパッド及びパッシベーション層が形成された半導体ウェーハを準備する段階と、
    前記半導体集積回路チップのパッシベーション層上に、前記チップパッドに対応する開口部を有する下部絶縁層を形成する段階と、
    前記下部絶縁層の開口部を介して前記チップパッドに接続される金属配線層を形成する段階と、
    前記金属配線層上に、前記金属配線層の一部分を露出させる開口部を有する上部絶縁層を形成する段階と、
    前記上部絶縁層の開口部に、前記金属配線層に接続される複数の外部端子を形成することにより、上記金属配線層により前記各チップパッド及び前記各々の外部端子を連結する段階と、
    前記外部端子を支持する補強層を前記上部絶縁層上に形成する段階と、
    前記半導体ウェーハの上面のチップ切断線に沿ってエッジ保護層を形成する段階と、
    前記ウェーハを切断して個別半導体集積回路チップに分離する段階と、
    を含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
  15. 前記上部絶縁層は、ベンゾシクロブテン、ポリイミド及びエポキシ樹脂よりなる群から選ばれる高分子材料を含有することを特徴とする請求項１４に記載の半導体パッケージの製造方法。
  16. 前記下部絶縁層は、ベンゾシクロブテン、ポリイミド及びエポキシ樹脂よりなる群から選ばれる高分子材料を含有することを特徴とする請求項１４に記載の半導体パッケージの製造方法。
  17. 前記下部絶縁層は、無機材料で形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体パッケージの製造方法。
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