JP4739198B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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    • H01L2924/156Material
    • H01L2924/15786Material with a principal constituent of the material being a non metallic, non metalloid inorganic material
    • H01L2924/15787Ceramics, e.g. crystalline carbides, nitrides or oxides

Description

本発明は、小型、薄型、軽量、低価格を達成し得る半導体装置の製造方法に関する。さらに詳しくは、微細な電極端子を有しながらリードフレームやインターポーザなどを用いないで、直接マザーボードなどにマウントすることができる構造の半導体装置を簡単な製造工程で、しかも安価に得られる半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置は、一般的には、たとえば図15に示されるように、半導体チップ21をリードフレームのダイパッド22にダイボンディングし、電極パッド21aとリードフレームのリード23とを金線24によりワイヤボンディングして、樹脂でモールドすることによりパッケージ25を形成することにより製造されている。
また、小型、薄型、軽量化を実現させる手段として、図16または図17に示されるように、半導体チップ21周囲の電極パッド21aを半導体チップ21上に分散させてハンダボールを形成するチップサイズパッケージが考えられている。すなわち、図16に示される例は、セラミック基板、ポリイミドなどの有機材基板、フィルムテープなどからなるインターポーザー26の一面に配線(図示せず)を形成して半導体チップ21の電極パッド21aとその配線とを金線24などを用いたワイヤボンディングにより接続し、そのインターポーザー26の裏面にその配線とそれぞれ接続してハンダボールなどからなる外部電極27を形成し、半導体チップ21側を樹脂25により被覆する技術である。なお、図17に示される例は、半導体チップ21の電極パッド21aと配線との接続をワイヤボンディングによらないで、電極パッド(図示せず)にハンダバンプ21bを形成し、そのハンダバンプ21bとインターポーザー26の配線とを直接接合するもので、他の構成は図16に示される例と同じである。28は半導体チップを固定する樹脂層である。
このようなインターポーザーを介在させることにより、半導体チップの周囲に非常に狭い間隔で設けられている電極パッドを半導体チップの面積全体に分散させて回路基板などに直接接続することを可能としている。すなわち、近年の半導体チップの高集積化および小型化に伴い、その電極パッドは半導体チップの周囲に100〜200μm程度の間隔で設けられている。しかし、半導体装置がマウントされる回路基板の配線は、0.5mm程度の間隔があり、半導体チップの電極パッドにバンプ電極を形成しても直接回路基板にマウントすることができないが、このインターポーザーを介在させることにより、インターポーザー全体に電極を分散させることができるため、直接回路基板にマウントすることができる。
前述のように、チップサイズパッケージは小型化が可能であるが、インターポーザーとそれに接続する接続工程が必要となる。このインターポーザーは、リードフレームを使用する半導体装置に比べて、流通量、すなわち生産量が少なく、また、微細な成型が要求されるものもあるため、一般的にコストが高くなる。また、このインターポーザーと半導体チップとのワイヤボンディングは、ワンバイワンの接続であるため、一括処理をすることができないし、一般的な電解工法によるメッキバンプは一括処理をすることができるものの、特にバリアメタルを形成する工程では、ステッパ装置、レジスト塗布・現像・露光装置など高額な設備が必要となる。そのため、チップサイズパッケージは、小型、薄型、軽量化を実現することができるが、コスト高になるという問題がある。
一方、本発明者は、このような問題を解決するため、電子回路を形成した半導体基板表面に配線で電極パッドを半導体チップの表面全体に分散させ、その電極パッド上に無電解メッキ法によりバリアメタル層を形成して、その上にハンダコアを形成し、表面全体に樹脂層を形成してから研削することによりハンダコアを露出させ、その露出したハンダコアの表面にハンダバンプを形成すると共に、半導体基板裏面を研削して薄くしてから裏面樹脂層を設けることにより小型で薄型の半導体装置を製造する方法を開示している(特許文献1参照)。
特開2003−338515号公報
しかし、このような方法によっても、たとえば裏面樹脂層を印刷法により塗布して硬化させる方法で形成すると、裏面樹脂層の厚さのバラツキが、数十μm程度生じ、必ずしも所望の値で薄型を達成することができないという問題がある。さらに、バリアメタル層を形成するのに、前述の無電解メッキ法で形成することにより、真空蒸着法やスパッタリング法などに比べて金属の無駄なく簡単に形成することができるが、半導体基板も導電性であるため、半導体基板裏面に絶縁シートを貼り付け、無電解メッキ終了後にその絶縁シートを除去しなければならず、その絶縁シートの貼り付けおよび除去の工程が煩雑になるという問題がある。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、インターポーザーを用いないで、電極間隔を広げ、バリアメタルを無電解メッキ法により形成しながら、無電解メッキのために半導体基板裏面を絶縁シートでマスクする特別な工程を省くことができ、さらには確実に所望の厚さに形成して、小型、薄型、軽量化を実現しながら、コストを低減することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明による半導体装置の製造方法は、(a)半導体基板の一面である表面に電子回路を形成し、該電子回路の電極端子を前記半導体基板上で配線を介して分散することにより再配置された電極パッドを形成する工程と、(b)該半導体基板の他面である裏面側を研削する工程と、(c)該半導体基板の研削した面に第1の樹脂層を形成する工程と、(d)該第1の樹脂層を形成した後に、前記電極パッド上に、無電解メッキによりバリアメタル層を形成する工程と、(e)該バリアメタル層上に、ハンダペーストを印刷し熱処理をすることにより、ハンダコアを形成する工程と、(f)前記半導体基板の該ハンダコアを形成した表面側に第2の樹脂層を形成する工程と、(g)該第2の樹脂層を研削して前記ハンダコアを露出させる工程と、(h)前記露出したハンダコア上に、さらにハンダペーストを印刷し熱処理をすることにより、ハンダバンプを形成する工程とを含み、前記(c)工程を、前記半導体基板の切削した面に、有機溶液により溶解し得る樹脂からなり、前記半導体基板より大きい樹脂シートを貼り付け、該樹脂シートが貼り付けられた前記半導体基板を回転させながら、該半導体基板の表面側から有機溶剤を滴下させて、前記半導体基板と接着していない部分の前記樹脂シートを溶解して除去することにより、前記半導体基板の裏面全面に前記樹脂シートを貼り付け、該樹脂シートを硬化させることにより前記第1の樹脂層を形成することを特徴とする。
この方法を用いることにより、バリアメタル層を無電解メッキ法により形成しながら、その無電解メッキ前の工程で半導体基板裏面を研削して薄くし、第1の樹脂層を形成しているため、無電解メッキの際に半導体基板裏面にもバリアメタル層の金属被膜が形成されることが無く、電極パッドのみにバリアメタル層の金属被膜を形成することができる。その結果、無電解メッキの工程のためにわざわざ絶縁膜で半導体基板裏面を被覆して、メッキ後の絶縁膜を除去するという無駄な工程を挟むことなく、バンプ電極を形成する必要な電極パッド部分のみにバリアメタル層を形成することができる。無電解メッキは、電解メッキのように、全面にスパッタリングなどにより設けた金属膜にレジストを形成し、電解メッキを行い、その後、レジストや不要な金属膜をエッチングするというような煩雑な工程を経ることなく形成することができる。さらに、衝撃に強い樹脂層で半導体基板の裏面が被覆されているため、薄くしながら製造工程の搬送中などにおける破損を防止することができると共に、半導体基板の両面が樹脂層により挟まれるため、ウェハの反りを防止することができる。その結果、非常に簡単な製造工程で歩留りが高く、安価に製造することができる。
さらに、第1の樹脂層の形成を、樹脂シートを貼り付けて、熱処理により硬化させる方法で行うことにより、薄い層で一定の厚さで形成することができるため、狙い通りの厚さで非常に薄型の半導体装置を得ることができる。すなわち、印刷法により樹脂を塗布して樹脂層を形成すると、その厚さのバラツキは数十μm程度と非常に大きなバラツキが生じ、全体の厚さが500μm程度の半導体装置では、所望の厚さ以内という薄型化を図っても、その寸法公差をオーバしてしまう場合も生じるが、本発明によれば、第1の樹脂層を樹脂シートから形成しているため、その第1の樹脂層を薄く、かつ、一定の厚さで形成することができる。その結果、非常に薄型の半導体装置を製造するのに大きく寄与する。
本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程、およびその詳細な具体的工程図を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 本発明による製造方法の一実施形態の製造工程を示す説明図である。 従来の半導体装置における構造の一例を示す説明図である。 従来の半導体装置における構造の一例を示す説明図である。 従来の半導体装置における構造の一例を示す説明図である。
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体装置の製造方法について説明をする。本発明による半導体装置の製造方法は、まず、図1〜3に示されるように、半導体基板1に電子回路を形成し、その電子回路の電極端子2を半導体基板1上で配線4を介して分散することにより再配置された電極パッド4aを形成し、図4に示されるように、半導体基板1の裏面を研削する。そして、図5に示されるように、半導体基板1の裏面に第1の樹脂層6を形成し、図6に示されるように、その電極パッド4a上に、無電解メッキによりバリアメタル層7を形成し、図7に示されるように、バリアメタル層7上に、ハンダペーストを印刷し熱処理をすることにより、ハンダコア8を形成し、図8に示されるように、半導体基板1のハンダコア8を形成した表面側に樹脂を印刷することにより第2の樹脂層9を形成し、図9に示されるように、第2の樹脂層9を研削してハンダコア8を露出させ、図10に示されるように、露出したハンダコア8上に、さらにハンダペーストを印刷し熱処理をすることにより、ハンダバンプ10を形成することにより製造する。
この半導体装置の製造方法について、具体例を交えて、さらに詳細に説明する。まず、図1に示されるように、半導体基板(ウェハ)1にトランジスタやダイオードなどの回路素子(図示せず)を形成して電子回路を形成し、その表面に電子回路の電極端子2を形成すると共に、半導体基板1の表面に絶縁膜3を形成して回路素子を保護している。この状態は、通常の半導体チップにする前のウェハの状態である。なお、図1〜10においては、1個の電極端子およびその電極端子に接続して設けるバンプ電極が1個の例で示されているが、多数ある電極端子全てについて同時に同様の方法でバンプ電極の形成が行われる。
つぎに、Al-Si(Siが1wt%)などからなる電極材料をスパッタ法などにより3μm程度の厚さに成膜して、図示しないレジスト膜を設けてパターニングすることにより、図2に示されるように、電極端子2と接続してバンプ電極を形成する所望の場所まで延在する配線4を形成する。その後、図3に示されるように、CVD法などによりSiO2またはSi34などからなる被覆層5を全面に設け、前述の配線4の端部であるバンプ電極形成場所のみが露出するようにパターニングする。この際、バンプ電極形成場所として配線4を露出させた再配置の電極パッド4aは、他の再配置の電極パッドとの間隔が0.4mmピッチ程度となり、その大きさが150μmφ程度となるように形成する。
つぎに、図4に示されるように、半導体基板1の厚さが150〜350μmになるように、半導体基板1の裏面を研削する。具体的には、630μm厚の半導体基板1を研削して、200±15μm厚にした。
ついで、図5に示されるように、半導体基板1の裏面側に、たとえばフィラー入りエポキシ樹脂をシート状に加工した樹脂シートを貼り付けて第1の樹脂層6を、たとえば50±10μm程度の厚さで、ウェハの裏面全面に形成する。具体的には、たとえば図5Aに示されるように、厚さが50±5μm程度でアセトンなどの有機溶剤に溶解し得る材料からなり、半導体ウェハ1aより大きく樹脂シート6aを切断し、半導体基板1のウェハ状態であるウェハ1aの裏面に重ねて、たとえば70℃程度に加熱することにより貼り付ける。そして、図5Bに示されるように、樹脂シート6a側をスピナー17に固定して回転させながら、ウェハ1aの表面側からアセトン18を滴下することにより、図5Cに示されるように、ウェハ1aの周囲からはみ出た樹脂シート6aを溶解して除去する。その後、たとえば120℃程度で8時間程度、さらに175℃程度に昇温して1.5時間程度の熱処理をして、樹脂を硬化させることにより、第1の樹脂層6が50±10μm程度の厚さで、ウェハ1aの裏面全面に形成される。
つぎに、図6に示されるように、再配置した電極パッド4a上にバリアメタル層7を形成する。具体的にはつぎのように行った。まず、再配置した電極パッド4a表面の親水性改善のため、脱脂処理を行い、ついで、硫酸または硝酸により表面に付着した酸化膜を除去した。その後、その表面にZn膜を置換メッキした。硝酸によりこのZn膜を一旦除去した後、再度Zn膜を置換メッキし、電極パッド4a表面に均一なZn膜を形成した。つぎに、還元反応により、Niを5〜9μm析出させた。さらに、Ni表面の酸化を防止するため、置換メッキ法によりAu膜を0.03μm形成することにより、バリアメタル層7を形成した。なお、このバリアメタル層7の直径は160μmであった。ここで、電極パッド4aは、1回目のZnを置換メッキで形成する際のエッチング量が大きい。具体的には、0.7μm程度エッチングされた。したがって、配線4の厚さを1μm程度以上設けることが必要である。1μm以下の場合は、2回目のZnを形成するまでに電極パッド4aの材料が溶けて無くなる場合が生じ、Niメッキが成長しない場合が生じ、好ましくない。
つぎに、図7に示されるように、バリアメタル層7の表面にハンダコア8を印刷法により形成する。この場合のマスクとして、(マスクの開口面積πr2)/(開口部におけるマスク壁面面積2πrt)=r/2tの比率が1/2以上のハンダマスクを使用するのがよかった。これは、(マスクの開口面積)/(マスク壁面面積)が1/2より小さくなると、たとえばマスク開口の直径2rが250μmφで、マスク厚tを200μmにした場合、マスク壁面との接着力の方が大きく、マスクにハンダペーストが残っており、転写の再現性が劣るためである。具体的には、直径が250μmφの開口で、厚さtが100μmのマスクを用い、Sn-Cu(Cuが2wt%)のハンダペーストを使用して印刷した。そして、酸素濃度が1000ppm以下の不活性ガス雰囲気で、260℃、10秒以上の熱処理をしてリフローした。ハンダマスクの開口の直径が250μmのとき、マスク厚を変化させた結果、厚さtが125μm(すなわちr/2t=0.5)まではハンダが転写されることを確認できた。また、リフロー時の酸素濃度が1000ppm以上の場合、ハンダコア8の高さにバラツキが生じた。バリアメタル層の直径が160μmφ、マスク開口の直径が250μmφ、マスク厚tが100μmのとき、ハンダコア8の高さは130±20μmの範囲で得られた。
つぎに、図8に示されるように、半導体基板1の表面(ハンダコア8を形成した面)側に、たとえばフィラー入りエポキシ樹脂を大気圧下で印刷法により塗布して、第2の樹脂層9を形成する。この際、第2の樹脂層9の厚さを規定するウェハ周囲を除いて開口孔を形成した樹脂印刷マスクをつけて行うが、この樹脂印刷マスクは、ハンダコア8の高さと同じ厚さから、それより150μm程度厚い範囲の厚さとする。印刷後、真空雰囲気下に放置して印刷時に巻き込んだ気泡を脱泡する。その後、高温にして樹脂を硬化させる。具体的には、印刷に用いるマスク厚をハンダコア高さより大きい250μm厚のものを使用し、100Pa・sの粘度の樹脂を用いて665Paの減圧下で、20分間放置して脱泡をした。その後、100℃で1時間、150℃で2時間の熱処理をして樹脂を硬化させた。硬化後の第2の樹脂層9の厚さは250±50μmであった。なお、使用する樹脂の粘度は、25、200、300、600Pa・sでも使用できることが確認されている。
つぎに、図9に示されるように、半導体基板1の表面側の第2の樹脂層9を研削して、ハンダコア8を露出させる。樹脂の研削量は、第2の樹脂層9の研削面がハンダコア8の高さの2/3〜1/2となるように設定した。具体的には、130μm高のハンダコア8の場合に、第2の樹脂層9の厚さ(研削後のハンダコア8の高さ)が70〜90(80±10)μmとなるように研削を行った。このとき、露出したハンダコア8の直径は、150±20μmφの範囲で得られた。
つぎに、図10に示されるように、ハンダコア8上にハンダバンプ10を印刷法により形成する。ここで、前述のハンダコア8を形成する場合と同様に、ハンダペーストを印刷する際に用いるマスクは、(マスクの開口面積)/(開口部におけるマスク壁面面積)の比率が1/2以上のハンダマスクを使用するのがよかった。そして、酸素濃度が1000ppm以下の不活性ガス雰囲気で、260℃、10秒間の熱処理をしてリフローをした。具体的には、マスクとして、直径が250μmφの開口で、厚さtが100μmのマスクを用い、Sn-Cu(Cuが2wt%)のハンダペーストを使用して印刷した。ハンダマスクの開口の直径が250μmのとき、マスク厚を変化させた結果、前述の場合と同様に、厚さtが125μmまではハンダが転写されることを確認できたが、150μmの厚さでは、マスクにハンダが残っており、転写の再現性に劣った。また、リフロー時の酸素濃度を1000ppm以上にした場合、ハンダバンプ10の高さにバラツキが生じた。ハンダコア8の直径が150±20μmφ、マスク開口の直径が250μmφ、マスク厚tが100μmのとき、ハンダバンプ10の高さは120±30μmの範囲で得られた。
つぎに、図11に123で示されるように、ウェハ1a(図11では2個のチップ分が示されている)の裏面、すなわち第1の樹脂層6の露出面に型名などのマーク11を付する。このマーキングは、印刷またはレーザ刻印などの方法により行う。
つぎに、図12に示されるように、ウェハに多数形成された同じ電子回路をそれぞれその境界部でダイシングをしてチップ化(個片化)する。具体的には、ウェハの裏面側をダイシングテープ12に貼着し、ダイサー13によりチップ間を切断する。切断した後も、ダイシングテープ12に貼着したまま、次工程のテストを行うことができる。
その後、図13に示されるように、ハンダバンプ10にテスターのプローブ14を接触させて、電気試験を行う。このように、梱包直前にテストを行なうことにより、ダイシング時の不良も検出することができ、不良品の流出を完全に防止することができ、信頼性を向上させることができる。また、このように、ダイシングテープ12に貼着したままテストを行うことにより、各チップは電気的には分離されながら、ダイシングテープ12上に整列しているため、図13に示されるように、2個以上のチップを同時にテストすることができる。具体的には、4個のチップを同時にテストすることができた。このように同時に複数個のチップのテストを行うことができるため、テストインデックスを短くすることができ、コストダウンを図ることができた。もちろん、従来通りピックアンドプレスによる1個単位でのテストをすることもできる。
最後に、外観検査を行い、ダイシングテープから分離されて完成した半導体装置15を、図14に示されるように、1個ごとに収納できる凹部が形成されたキャリアテープ16の凹部に収納し、キャリアテープ16を梱包することにより、出荷できる状態になる。
以上のように、本発明によれば、半導体基板表面にウェハのプロセスを用いて、電極端子の再配置を行って電極パッドの間隔を広げているため、インターポーザを用いることなく、直接マザーボードなどにマウントすることができるチップサイズの非常に小型の半導体装置を得ることができる。しかも、半導体基板裏面を研削して薄くし、その研削面に第1の樹脂層を形成してから、半導体基板表面にハンダコアやハンダバンプを形成する前にバリアメタル層を無電解メッキにより形成し、さらに、ハンダコアやハンダバンプの形成を、印刷と加熱処理とにより行っているため、製造工程での破損を防止しやすいと共に、無電解メッキのためのマスクをわざわざ形成することなく、非常に簡単な設備で、しかもウェハ単位で一括処理により製造することができる。その結果、直接マザーボードなどにマウントすることができる、チップサイズ程度の小型、薄型、軽量の半導体装置を非常に安価に得ることができる。さらに、第1の樹脂層を樹脂シートの貼り付けにより形成することにより、薄くて、かつ、寸法精度をシビアにすることができ、非常に正確な薄型の半導体装置が得られる。
なお、前述の具体例では、電極端子を再配置するための配線4として、Al-Si(Siが1wt%)を用いる例であったが、配線4として、AuまたはCuを用いる場合には、この膜を形成するのに、スパッタ法以外に真空蒸着で成膜してもよい。また、図6のバリアメタル層7の形成工程は以下のように行ってもよい。
まず、前述の例と同様に、再配置した電極パッド4a表面の親水性改善のため、脱脂処理を行い、ついで、硫酸または硝酸により表面に付着した酸化膜を除去する。その後、電極パッド4aの表面に、Pdを置換メッキにより成膜する。つぎに、還元反応により、Niを5〜9μm析出させる。さらに、置換メッキ法によりAu膜を0.03μm形成することにより、バリアメタル層7を形成する。なお、このバリアメタル層7の直径は160μmであった。ここで、配線4は、半導体基板1表面の凹凸により断線が生じる場合があるので、1μm以上の厚さに形成することが必要である。
本発明は、携帯電話機などの携帯機器、CD、DVD、ノート型パーソナルコンピュータなどの各種電子機器で軽薄短小化が要求される電子機器に用いられる半導体装置に適用することができる。
1 半導体基板
2 電極端子
4 配線
4a 電極パッド
6 第1の樹脂層
7 バリアメタル層
8 ハンダコア
9 第2の樹脂層
10 ハンダバンプ

Claims (1)

  1. (a)半導体基板の一面である表面に電子回路を形成し、該電子回路の電極端子を前記半導体基板上で配線を介して分散することにより再配置された電極パッドを形成する工程と、
    (b)該半導体基板の他面である裏面側を研削する工程と、
    (c)該半導体基板の研削した面に第1の樹脂層を形成する工程と、
    (d)該第1の樹脂層を形成した後に、前記電極パッド上に、無電解メッキによりバリアメタル層を形成する工程と、
    (e)該バリアメタル層上に、ハンダペーストを印刷し熱処理をすることにより、ハンダコアを形成する工程と、
    (f)前記半導体基板の該ハンダコアを形成した表面側に第2の樹脂層を形成する工程と、
    (g)該第2の樹脂層を研削して前記ハンダコアを露出させる工程と、
    (h)前記露出したハンダコア上に、さらにハンダペーストを印刷し熱処理をすることにより、ハンダバンプを形成する工程
    とを含み、
    前記(c)工程を、前記半導体基板の切削した面に、有機溶液により溶解し得る樹脂からなり、前記半導体基板より大きい樹脂シートを貼り付け、該樹脂シートが貼り付けられた前記半導体基板を回転させながら、該半導体基板の表面側から有機溶剤を滴下させて、前記半導体基板と接着していない部分の前記樹脂シートを溶解して除去することにより、前記半導体基板の裏面全面に前記樹脂シートを貼り付け、該樹脂シートを硬化させることにより前記第1の樹脂層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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